Síntesis y caracterización de películas delgadas de Cu2ZnSnS4 depositadas por CBD, asistida con membrana de difusión

En este trabajo se hicieron aportes a la síntesis y caracterización de películas delgadas del compuesto Cu2ZnSnS4 (CZTS) lo cual condujo a obtener propiedades estructurales, ópticas y morfológicas, adecuadas para ser usadas como capa absorbente en celdas solares; la síntesis del CZTS se realizó mediante deposición secuencial de películas delgadas de Cu2SnS3 y ZnS seguido de recocido en atmósfera de nitrógeno a 500C. La deposición del compuesto ternario Cu2SnS3 se realizó siguiendo una ruta novedosa desarrollada por nuestro grupo de investigación que consiste en co-precipitar los compuestos Cu2S y SnS2 por el método CBD (Chemical Bath Deposition) asistido con membranas de difusión, con la finalidad de favorecer el crecimiento en fase heterogénea principalmente mediante un mecanismo ion-ion. El reactor usado para este propósito fue diseñado e implementado en el marco de este trabajo. A través de un exhaustivo estudio de parámetros se encontraron condiciones que condujeron a la formación de películas delgadas de Cu2SnS3; el conjunto de parámetros que dio lugar al crecimiento de películas delgadas de Cu2SnS3 es el siguiente: [Sn2+]=70mM, [Cu2+]=15mM, [Cit3-]/ [Sn2+]=2,6, [Na2S2O3]=160mM, pH=5.5, tiempo de reacción=1h, temperatura de síntesis= 80°C. Se encontró que el compuesto Cu2SnS3 se forma directamente a través de la coprecipitación de Cu2S y SnS2 sin necesidad de realizar un tratamiento térmico posterior. Por otro lado se realizó el estudio de parámetros que permitió encontrar condiciones de crecimiento del compuesto ZnS usando el método CBD convencional; este estudio indicó que el crecimiento del compuesto ZnS se puede realizar usando los siguientes parámetros: [Zn2+]=30mM, [CH4N2S]=400mM, [Na3C6H5O7]. [H2O]= 48mM, pH=10, temperatura = 80°C. Posterior al estudio que permitió encontrar condiciones óptimas para el crecimiento de películas delgadas de Cu2SnS3 y ZnS, estos materiales se usaron como precursores para la formación del compuesto cuaternario Cu2ZnSnS4 a través de deposición secuencial de estos y posterior recocido a 500°C en atmósfera de nitrógeno a presión controlada del orden de 1X10-1 m Bar. Un estudio que incluyó el efecto del espesor de las capas precursoras permitió encontrar condiciones para la formación de la fase Cu2ZnSnS4. La caracterización realizada usando espectroscopía Raman y difracción de rayos x (XRD) corroboró la formación del compuesto Cu2ZnSnS4 con estructura tetragonal tipo kesterita, libre de fases secundarias. Análisis a través de la técnica XPS reveló que este material presenta estados de oxidación propios del compuesto de interés CZTS. Mediante caracterización óptica realizada a través de medidas de transmitancia y reflectancia espectral se encontró que el compuesto CZTS presenta un gap de energía de 1,41eV y un coeficiente de absorción mayor a 1X104 cm-1, lo cual indica que este material tiene propiedades adecuadas para ser usado como capa absorbente en celdas solares.

• Autores: Becerra Arciniegas, Raúl Andrés
• Fecha de publicación: 2016
• Institución: Universidad Nacional de Colombia
• Repositorio: Universidad Nacional de Colombia
• Idioma: spa
• OAI Identifier: oai:repositorio.unal.edu.co:unal/58249
• Acceso en línea: https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/58249; http://bdigital.unal.edu.co/54939/
• Palabra clave: 53 Física / Physics; 54 Química y ciencias afines / Chemistry; 55 Ciencias de la tierra / Earth sciences and geology; 62 Ingeniería y operaciones afines / Engineering; Materiales para celdas solares de película delgada; Cu2ZnSnS4 con estructura Kesterita; CBD- Asistido con membranas; Bajo costo y bajo impacto ambiental.; Películas delgadas; Coprecipitación controlada con membranas de difusión; Semiconductores; Celdas solares; Thin films; Cu2ZnSnS4 with Kësterite structure; Co-precipitation controlledby diffusion membrane; Semiconductor; Ssolar cells
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