Caracterización optoelectrónica de capas delgadas cds/cdte para celdas solares flexibles

Abstract

El presente trabajo propone un análisis morfológico y optoelectrónico de cada una de las capas que componen a una celda solar flexible basada en CdS y CdTe. El principal reto de esta investigación consistió en la utilización de un polímero (PET) flexible comercial como sustrato de la celda, el cual trae consigo depositada una capa de In2O3/Au/Ag que trabaja como contacto frontal. Es importante mencionar que el PET posee una temperatura de transición vítrea de 75 °C, lo cual conlleva a utilizar técnicas de crecimiento a baja temperatura. Así mismo, se llevó a cabo la aplicación de conceptos ingenieriles y arquitectónicos a escala nanométrica mediante el crecimiento de granos en forma columnar o de postes. Esto fue posible gracias a la rotación constante por parte del sustrato y/o la fuente durante todo el proceso de depósito. Las capas implicadas en la celda solar flexible están compuestas por ZnO como capa buffer, CdS como capa ventana, CdTe como capa absorbente y Mo como contacto posterior. Se determinaron y ajustaron los parámetros de crecimiento más adecuados para cada técnica empleada tales como la distancia blanco-sustrato (DBS), la potencia de radio frecuencia (PRF), la presión parcial de argón en la cámara de vacío (PAR) y bajo condiciones de oxígeno (PO), la velocidad de rotación del sustrato (Vs) y de la fuente (VF), como así también los tiempos de depósito (TD), todo esto con el fin de correlacionar estos parámetros con las características de las películas obtenidas: estructura cristalina, morfología, propiedades químicas, ópticas y eléctricas. El crecimiento de la capa de CdTe fue realizado mediante evaporación térmica utilizando las siguientes consideraciones: DBS=10 cm, VF=24 rpm, VS=24 rpm, PO=1.3 mTorr y TD= 8 y 10 minutos. Se obtuvieron estructuras policristalinas en fase cúbica con orientación preferencial de los cristales en el plano 111. El parámetro de red calculado es de a = 6.49 Å, con tamaño promedio de grano de 49.66 nm. Se presentó un crecimiento columnar de los granos, con espesores de las películas de 1.33 y 1.66 μm para TD=8 y 10 minutos respectivamente. La transmitancia óptica de las películas fue mayor al 50% para longitudes de onda superiores a los 800 nm. El ancho de banda prohibida varió en el rango de 1.47 y 1.68 eV. En relación con las capas de ZnO, CdS IV y Mo, todas ellas fueron depositadas por pulverización catódica de radiofrecuencia por magnetrón (RFMS por sus siglas en inglés). Los parámetros de depósito del ZnO consistieron en: PRF =70 W, DBS=7 cm, VS=30 rpm, PAR= 10 mTorr y TD=30 minutos. Se obtuvieron granos compactos presentando un espesor de 163 nm. La transmitancia óptica fue mayor al 60% para longitudes de onda superiores a 380 nm y superior al 90% para la región cercana a 500 nm. El ancho de banda prohibida obtenido fue de 3.26 eV. Las películas de CdS fueron depositadas bajo los parámetros: PRF =150 W, DBS=7 cm, VS=30 rpm, PAR= 10 mTorr y TD= 30, 45 y 150 segundos. Se obtuvieron estructuras policristalinas en fase hexagonal con orientación preferencial de los cristales en el plano 002. Los parámetros de red calculados fueron de a = 4.08 Å y c = 6.72 Å, con tamaño promedio de grano de 17.8 y 27.93 nm para TD= 30 y 150 segundos respectivamente. Se presentó un crecimiento columnar de los granos, con espesores de las películas de 76, 126 y 335 nm para TD= 30, 45 y 150 segundos respectivamente. La transmitancia óptica de las películas fue mayor al 60% para longitudes de onda superiores a 500 nm. Los anchos de banda prohibida estuvieron en el orden de 2.47 y 3.08 eV. La película con TD=150 segundos presentó la menor resistividad con un valor de 1.1 Ω cm. En cuanto a las películas de Mo, se emplearon los siguientes parámetros: PRF =100 W, DBS=7 cm, VS=10 rpm, PAR= 10 mTorr y TD= 5, 10 y 20 minutos. Se obtuvieron películas con granos columnares, presentando espesores de 86, 156 y 287 nm para para TD= 5, 10 y 20 minutos respectivamente. Así mismo se midieron las resistividades de las películas a temperatura ambiente, las cuales presentaron una disminución en sus valores con el incremento del tiempo de depósito. La resistividad más baja fue a TD= 20 minutos con un valor de 5.88 x 10-3 Ω cm. Los resultados obtenidos revelan un gran aporte por parte de la implicación de estructuras columnares en las diferentes capas. De esta forma, se brinda una mejora en la capacidad de absorción de los fotones, se permite la generación de una unión P-N tridimensional y se otorga un camino de mayor libertad en su paso de los portadores hacia los contactos. Finalmente, se midió el voltaje y amperaje brindados por la celda solar flexible bajo iluminación en diferentes puntos de la misma. Se obtuvieron valores promedios de 0.076 V y 6.4 μm para la celda con la composición de CdS con TD=150 segundos, CdTe con TD=10 minutos y Mo con TD=20 minutos.