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Celdas Solares de películas delgadas policristalinas base
absorbadores selenuro de plata y antimonio
En el mundo actual, donde existe un continuo incremento en las necesidades
energéticas, el uso de celdas solares se ha vuelto una fuente importante de generación de
energía. Su uso es completamente libre de emisión de cualquier tipo de gases que causen efecto
invernadero, la operación es ambientalmente benigna y si el dispositivo se encuentra
encapsulado, tiene un largo tiempo de vida. Debido a que los sistemas fotovoltaicos pueden ser
modulados, su rango de aplicación varía de miliwatts a megawatts. El desarrollo de celdas
fotovoltaicas de películas delgadas (TFPV) es de aplicación más reciente. Este tipo de celdas
requieren pequeñas cantidades de materiales, aún en la producción de módulos grandes, lo que
permite lograr que sean de bajo costo. Las celdas TFPV generalmente consisten de películas de
materiales semiconductores como absorbedores (con un espesor de pocos micrómetros con una
brecha de energía (Eg) de 1-1.5 eV) y como ventanas (menos de 0.1 micrones de espesor, Eg >
2.4eV), depositados en sustratos muy baratos, tales como acero inoxidable, vidrio y plástico
flexible recubierto con un metal o con óxidos conductores transparentes. De acuerdo con
investigaciones realizadas con anterioridad, se han identificados tres materiales semiconductores
como absorbedores para generación de celdas solares de películas delgadas. Estos materiales
son: silicio amorfo (a-Si:H), teluro de cadmio (CdTe, Eg = 1.5eV) y diselenuro de cobre e indio
(CuInSe2, Eg = 1eV, puede incrementar hasta 1.6 eV mediante la aleación con Ga). En todas las
celdas anteriores, aún con el esfuerzo realizado en diferentes aspectos, existen problemas que
han quedado sin resolver tales como: no se han desarrollado técnicas de bajo costo para
producción a grande escala, poseen poca estabilidad química y pueden ser tóxicas. Los factores
más importantes en el costo de la manufactura de dispositivos de películas delgadas son el costo
de los equipos de procesamiento y las materias primas. Debido a la preocupación por el
incremento en el calentamiento global, ha crecido la necesidad de que el uso de las celdas
fotovoltaicas genere cantidades importantes de energía. Para explorar el potencial del empleo de
celdas TFPV se han hecho esfuerzos paralelos para desarrollar nuevos materiales y tecnología
para compartir con los sistemas ya existentes. En base a esto, se debe poder preparar el
material en forma de película delgada mediante una técnica de bajo costo y benigna
ambientalmente. Además, las materias primas deben ser abundantes y estar disponibles
localmente. El propósito de este trabajo es desarrollar celdas solares de películas delgadas
basadas en selenuro de antimonio y plata (AgSbSe2), un material absorbedor nuevo. El
AgSbSe2 tiene una estructura cúbica centrada en las caras con un parámetro de red a=5.786 Å
y posee un coeficiente de absorción óptica de 10000 cm-1 con un valor de brecha de energía de
~1 eV, es un material tipo-p con movilidad de huecos de 1500 cm2/V-s. Todas estas propiedades
son comparables con las del CuInSe2 (descrito anteriormente). Además México tiene minas de
Ag y Sb, lo que hace que el desarrollo de este material en nuestro país sea más atractivo, ya que
puede ser una de las fuentes de energía del futuro. El objetivo de este trabajo es producir
películas delgadas de AgSbSe2 de espesor de más de 1 micra y explorar su potencial en una
estructura fotovoltaica, utilizando deposición química y evaporación térmica; ambas técnicas de
bajo costo y compatibles con producción a grande escala. Las películas delgadas de AgSbSe2
serán producidas mediante calentamiento de multicapas de Se/Sb2S3/Ag2Se/Sb/Ag en contacto
con una película delgada de Se. La metodología es la deposición secuencial de Se, Sb2S3 y
Ag2Se sobre un sustrato de vidrio por baño químico sobre el cual películas metálicas de Sb/Ag
serán evaporadas térmicamente. La estructura de multicapas será calentada en contacto con
una película delgada de Se, en una atmósfera de gas inerte. Se estudiará la formación de las
películas delgadas asociada con la difusión entre las capas mediante el análisis de las películas
formadas a diferentes condiciones de calentamiento y combinaciones de capas. Inicialmente se
estudiará la formación de AgSbSe2 mediante calentamiento de las capas de Se/Sb2S3/Ag2Se.
El espesor de Se, que es fácil de controlar en el proceso de deposición, se variará para obtener
AgSbSe2 con conductividad tipo-p. Los intersticiales de Se son los posibles aceptores en
AgSbSe2 para contribuir a la conductividad del tipo-p. Se harán estudios detallados sobre las
reacciones durante el calentamiento de las multicapas de vidrio/Sb/Ag en contacto con Se, para
investigar el proceso de formación de AgSbSe2 en esta configuración. Estos resultados serán
utilizados para controlar la reacción completa en vidrio/Se/Sb2S3/Ag2Se/Sb/Ag en contacto con
Se, para obtener una capa de p+AgSbSe2 sobre la superficie, una condición para el dopaje
gradual. La meta principal del proyecto propuesto es la incorporación de estos resultados a una
estructura fotovoltaica de vidrio/SnO2:F-(n)CdS-(p)AgSbSe2-(p+)AgSbSe2/Ag electrodo, esto
será realizado mediante la integración de la formación de la película delgada de AgSbSe2 sobre
vidrio/SnO2:F-(n)CdS, en donde el CdS será depositado por baño químico. Las técnicas de
caracterización usadas para el estudio de formación de películas delgadas AgSbSe2, así como
la estructura fotovoltaica serán las que se describen a continuación.
Las características microestructurales superficiales e internas serán analizadas usando
Microscopía Electrónica de Barrido y de Transmisión. Los microanálisis (realizados por
espectroscopia por dispersión de energía) asociados con los equipos anteriormente
mencionados proporcionarán las composiciones correspondientes. La composición del perfil de
profundidad de las películas será analizada por espectroscopia Auger, utilizando chisporroteo
(sputtering) de iones y las propiedades cristalográficas mediante Difracción de rayos X. Las
propiedades eléctricas como resistividad y foto-respuesta a la corriente (photocurrent response)
se estudiarán empleando el equipo de medición/fuente de corriente – voltaje, la iluminación será
proporcionada usando lámparas de halógeno-tungsteno. El comportamiento de los dispositivos
fotovoltaicos será evaluado mediante sus características de voltaje-corriente. Este proyecto, que
está orientado a la caracterización completa de las películas delgadas de AgSbSe2 formadas
bajo diferentes condiciones, explorará el potencial de este material para aplicaciones
fotovoltaicas. La nueva estructura fotovoltaica producida en este trabajo, con buenos parámetros
para dispositivos, es promisoria en el área de celdas TFPV. Adicionalmente, se ofrece una
técnica amigable ambientalmente (sin el uso del gas de H2Se) con la ventaja del bajo costo.
Mediante este proyecto se obtendrán los trabajos de tres tesis de maestría y el inicio de una de
doctorado, lo que resulta de gran impacto al programa de postgrado a la Universidad.