Desarrollo de materiales para celdas solares basadas en Kesteritas

Abstract

ABSTRACT: In this work were studied and deposited thin films on glass substrates materials used for Kesterite based solar cells: Mo, Cu2ZnSnS4 and CdS. Mo thin films were deposited varying argon partial pressure by RF-sputtering. Films were morphologically analyzed by scanning electron microscopy and electrically by four probe method. Films resistances rise with argon pressure due a grain boundary increase, giving sheet resistances < 1 Ω/sq. Cu2ZnSnS4 was prepared sequentially vaporing in high vacuum ZnS, Sn and Cu films with Cu, Sn, Zn variable ratios. ZnS/Sn/Cu stacks were sulfurized in a closed space vapor transport system. Samples were analyzed by x ray diffraction and UV-Visible spectroscopy. Cu2ZnSnS4 phase was detected and band gap was determined between 1.4 – 1.5 eV. From energy dispersive spectroscopy Cu/(Zn+Sn) ≈ 0.8- 0.9 y Zn/Sn ≈ 1.1-1.2 ratios were determined for selected samples. CdS was deposited by chemical bath deposition varying precursor concentrations and deposition times. Deposition mechanism was studied studying species evolution in bath and films thickness increasing with time and adjusting them with a chemical species simulator. A process model was proposed in which deposition begins with CdCO3 nucleus formed over substrate from CO2 dissolve. Greater nucleation times drive to CdS films with higher crystallinity. It was found that in decomposition process of complex ion [Cd(NH4)]2+, NO - ion influences on system kinetic. In this work experimental conditions to prepare back contact, active layer and window layer for Kesterite based solar cells were found.

RESUMEN: En este trabajo se estudiaron y depositaron sobre sustratos de vidrio películas delgadas de los materiales usados en celdas solares basadas en Kesterita: Mo, Cu2ZnSnS4 y CdS. Las películas delgadas de Mo fueron depositadas variando la presión parcial de argón usando la técnica de RF-sputtering. Las películas fueron analizadas morfológicamente por microscopía electrónica de barrido y eléctricamente por el método de cuatro puntas. La resistencia de las películas aumenta con la presión de argón debido a un incremento en las fronteras de grano, dando resistencias de hoja < 1 Ω/sq. El Cu2ZnSnS4 se preparó evaporando secuencialmente en alto vacío películas de ZnS, Sn y Cu con relaciones Cu, Sn y Zn variables. Los apilamientos ZnS/Sn/Cu fueron sulfurizados en un sistema de transporte de vapor en espacio reducido. Las muestras se analizaron por difracción de rayos X y espectroscopia de UV-Visible. Se detectó la fase Cu2ZnSnS4 y se determinó el ancho de banda prohibida entre 1.4 y 1.5 eV. A partir de las mediciones de espectroscopia de energía dispersada relaciones de Cu/(Zn+Sn) ) ≈ 0.8- 0.9 y Zn/Sn ≈ 1.1-1.2 fueron determinadas para las muestras seleccionadas. El CdS se depositó por el método del baño químico variando las concentraciones de precursores y los tiempos de depósito. Se estudió el mecanismo de depósito estudiando la evolución de las especies en el baño y el espesor de las películas con respecto al tiempo y ajustándolos con un simulador de especies químicas. Se propuso un modelo del proceso en el que el depósito inicia con núcleos de CdCO3 formados sobre el sustrato a partir del CO2 disuelto. Tiempos mayores de nucleación conducen a películas de CdS con mayor cristalinidad. Se encontró que en el proceso de descomposición del ion complejo [Cd(NH4)]2+ el ion NO - influye en la cinética del sistema. En este trabajo se encontraron las condiciones experimentales para preparar el contacto posterior, la capa activa y la capa ventana para celdas solares basas en Kesteritas.