Películas delgadas de ZnO preparadas de partículas nano estructuradas extraídas de un producto comercial: caracterización y su aplicación en celdas solares

Abstract

El propósito de la presente tesis es la recuperación de nanopartículas de óxido de zinc (ZnO) de uno de los productos comerciales conteniéndolo. El ZnO recuperado, se crece sobre sustratos de vidrio y se evalúan sus propiedades físicas y ópticas. ZnO es un aditivo esencial en numerosos de materiales comerciales como lubricantes, pinturas, pigmentos, champús y cremas de calamina. Debido a su alta estabilidad como semiconductor de óxido y su alta transmisión óptica en el rango de luz visible, ZnO se convirtió en un material importante para diferentes aplicaciones tecnológicas. Tales aplicaciones incluyen dispositivos fotovoltaicos de películas delgadas. En el presente trabajo, ZnO se extrae químicamente del producto comercial ""pomada de la campana"", una crema de calamina muy común en el mercado mexicano. El ZnO extraído se obtiene en una forma coloidal que contiene las partículas más pequeñas en tamaño y como un precipitado de partículas relativamente más grandes. Se toma una muestra del coloide antes de aplicar una agitación magnética de 400 rpm durante 18 horas, luego se toma otra muestra. Se llevó a cabo un análisis Zetasizer en las 2 muestras, que mostró que la mayoría de las partículas en el coloide están en el nano tamaño, que oscila entre ~ 35 nm y ~ 100 nm, y que la agitación magnética sirvió para homogeneizar las partículas en el coloide. La técnica de recubrimiento por centrifugado (spin coating) se aplica para crecer las partículas de ZnO sobre substratos de vidrio corning. Después de algunos ensayos y cambios en los parámetros de crecimiento, se logran películas delgadas uniformes de ZnO utilizando un spin coating dinámico, una mezcla del coloide y el precipitado, 3000 rpm, 15 segundos de tiempo de rotación, 5 minutos de precalentamiento de 120 °C para crecer diferentes capas, y 1 hora de recocido a 550 °C. Las imágenes del microscopio electrónico de barrido (SEM) mostraron propiedades morfológicas similares para todas las películas crecidas. Las películas presentaron partículas nanoestructuradas de diferentes planos y tamaños, distribuidas en capas porosas.

Las medidas de espesor para 4 películas delgadas crecidas con los mismos parámetros en 1, 3, 5 y 7 capas se realiza usando imágenes transversales de SEM, que mostraron los siguientes valores respectivamente: 0,258 μm, 0,469 μm, 0,689 μm y 0,895 μm. Realizamos un análisis de espectroscopía de rayos X de energía dispersiva (EDS) y sólo aparecen las líneas espectrales características del oxígeno y el zinc. Análisis de difracción de rayos X también confirmó sólo ZnO crecido, ya que el patrón de difracción obtenido coincide con el patrón del ZnO estándar en su estructura cristalina hexagonal de wurtzita. El ZnO crecido es policristalino con buena cristalinidad, como indican 9 picos agudos presentes en el patrón de difracción. Se indicó una deformación expansiva de en los cristales del ZnO, aumentando su volumen por 0.7282%. Los parámetros cristalinos son a = b = 3.258241 Å y c = 5.217455 Å. El tamaño cristalino promedio calculado con el método de Williamson-Hall es . La densidad de dislocación es de y la longitud del enlace Zn-O (L) es 2.695454 Å. De acuerdo con los resultados de la espectroscopia ultravioleta-visible, las muestras tienen una alta transmitancia en todo el rango visible y parte del infrarrojo cercano. La transmitancia disminuye al aumentar el espesor de las muestras. Los resultados de transmitancia son ~ 80%, 68.5%, 61.5%, y 45%. Hallamos los valores del bandgap óptico con la relación de Tauc: 3.760 eV, 3.794 eV, 3.821 eV y 3.868 eV. El alto valor del bandgap sugiere un efecto de confinamiento cuántico debido a la existencia de las partículas más pequeñas (~ 35 nm) indicadas en el análisis Zetasizer. Las propiedades físicas y ópticas de las películas del ZnO preparadas con las partículas recuperadas del producto comercial han mostrado valores comparables con otras películas de ZnO obtenidas por otras técnicas. Las películas de ZnO obtenidas aplican para fabricar celdas solares de tercera generación, especialmente celdas solares sensibilizadas por colorante (DSSC). Se recomienda para el futuro mejorar aún más la uniformidad de las películas, y fabricar una DSSC usando la metodología presentada para preparar la capa del ZnO.