Characterization of fundamental properties of cu2znsn1-xgex(s,se)4 compounds for photovoltaic application
- Autores: Eduardo García Llama
- Directores de la Tesis: Raquel Caballero (dir. tes.), José Manuel Merino Álvarez (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2016
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Máximo León Macarrón (presid.), Miguel Manso Silván (secret.), Rosalía Serna Galán (voc.), Carmen María Ruiz Herrero (voc.), Víctor Izquierdo Roca (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Materiales Avanzados y Nanotecnología por la Universidad Autónoma de Madrid
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
- Resumen
La solución sólida Cu2ZnSn1-yGey(S,Se)4 (CZGTSSe) se ha correlacionado con la exitosa CuIn1-yGay(S,Se)2 como un candidato prometedor para ser utilizado como material absorbente para aplicaciones fotovoltaicas. Las principales ventajas de los compuestos CZGTSSe son que no contienen elementos raros o caros y, como consecuencia, implican una posible reducción de costes para su industrialización.
El objetivo de este trabajo consistió en la investigación de las propiedades fundamentales, estructurales, ópticas, vibracionales y eléctricas, de monocristales de Cu2ZnSn1-yGey (S,Se)4 crecidos mediante deposición química en fase vapor y de muestras policristalinas sintetizadas por Bridgman y reacción en estado sólido. De esta manera, esta tesis contribuye a entender y mejorar el conocimiento de las propiedades de estos compuestos que pueden conducir a mejorar la eficiencia de los dispositivos. Otro objetivo adicional consistió en la fabricación de células solares con el material previamente sintetizado.
Se ha investigado la estructura cristalina de los monocristales de Cu2ZnSn1-yGey(S,Se)4 así como la de los mismos compuestos semiconductores en forma policristalina con una amplia variación en el contenido de Ge. La composición química de los compuestos se midió por dispersión de longitud de onda de rayos X (WDX) y por energía dispersiva de rayos X (EDX). Los compuestos en forma de polvo fueron medidos mediante difracción de rayos X y de neutrones. Por una parte, se analizaron de manera simultánea los datos experimentales de ambas técnicas de difracción para las muestras monocristalinas mediante refinamiento Rietveld. Por otro lado, los refinamientos de los compuestos policristalinos se realizaron utilizando sólo los datos experimentales de la difracción de neutrones. En ambos casos, tras el análisis de los datos de difracción por Rietveld, se obtuvo información importante, tal como los parámetros de red, las coordenadas fraccionarias de los aniones, las distancias catión-anión, los factores de ocupación de los cationes y los tipos de defectos puntuales, con el cambio de la relación atómica [Ge/(Ge+Sn)].
Las propiedades ópticas lineales de los monocristales Cu2ZnSn1-yGey(S,Se)4 de alta calidad con una amplia variedad en contenido de Ge también se han investigado en el rango visible e infrarrojo cercano utilizando mediciones de elipsometría espectroscópica. A partir del análisis de los espectros de la función dieléctrica compleja, se ha encontrado que la energía de la banda prohibida, E0, aumenta de manera continua con el aumento del contenido de Ge. En el caso de los compuestos policristalinos, parece que la energía de la banda prohibida sigue el mismo comportamiento lineal cuando el germanio aumenta. Por otra parte, la evolución de las transiciones interbanda, E1A y E1B, también fue determinada. Entender la incorporación de Ge en la red atómica de los compuestos Cu2ZnSn(S,Se)4 es fundamental para el desarrollo de la ingeniería de la banda prohibida de estos compuestos para llegar a la fabricación de células solares de lámina delgada de kesterita con un mayor rendimiento.
La espectroscopía de Raman se utilizó para evaluar la zona central óptica de los fonones de los monocristales de Cu2ZnSn1-yGey(S,Se)4, lo que ha llevado a la caracterización completa de sus propiedades de vibración. El análisis se ha realizado mediante el uso de espectros de Raman obtenidos con tres diferentes longitudes de onda de excitación. Los espectros muestran los picos característicos de las diferentes muestras de Cu2ZnSn1-yGeyS4 y Cu2ZnSn1-yGeySe4. Se encontró un comportamiento bimodal para la mayoría de los picos en ambos compuestos. Sin embargo, para los monocristales se vio claramente que el modo más intenso exhibe un comportamiento de un solo modo para los compuestos con selenio y un comportamiento bimodal para los compuestos con azufre. Por otra parte, se observó que, para los compuestos policristalinos, el comportamiento de un solo modo y bimodal seguía presente para el pico principal de los compuestos de selenio y azufre respectivamente. Por último, se utilizó la dispersión de Raman para identificar claramente la presencia de fases secundarias en los compuestos Cu2ZnSnS4, así como para las películas delgadas.
Las medidas de conductividad frente a la temperatura ((T)) se utilizaron para identificar dos mecanismos de conducción diferentes en los monocristales. El proceso de conducción activado térmicamente domina en rangos de temperaturas más altas y el rango de Mott de “hopping” variable encaja mejor con los resultados experimentales a temperaturas más bajas. En este último rango, se correlacionaron los defectos encontrados mediante los refinamientos Rietveld, en la caracterización estructural, con la energía de la anchura de la banda aceptora determinada mediante las medidas de (T).
Finalmente, se realizaron dispositivos fotovoltaicos basados en el compuesto CZTSSe. Las láminas delgadas del absorbente se depositaron a partir de los compuestos sintetizados previamente. Con dicha capa delgada se fabricaron células solares y se caracterizaron mediante medidas de intensidad versus voltaje y EQE.
