ESTUDIO DE LAS PROPIEDADES FISICOQUÍMICAS DE PELÍCULAS CALCOGENURAS DE ZnSe Y CuS PARA CELDAS SOLARES

Abstract

En este trabajo se depositaron películas de sulfuro de cobre (CuS) y seleniuro de zinc (ZnSe) por método de depósito por baño químico (CBD) para su uso en celdas solares de tipo heterounión. El depósito de CuS se realizó por baño químico a temperatura ambiente (25 °C) variando la concentración del agente complejante (trietanolamina) a 1.0, 1.5 y 2.0 M con el fin de determinar su efecto en las propiedades fisicoquímicas. Además, se realizó un tratamiento térmico (TT) a las películas de CuS a 70 °C/6 h. Por otra parte, también se estudiaron películas de ZnSe por baño químico variando la temperatura del depósito entre 60 °C y 70 °C. Las películas de CuS mostraron una naturaleza amorfa en el análisis por XRD. Sin embargo, un modo vibracional ubicado a 474 cm-1fue observado mediante espectroscopía Raman, indicando la formación del CuS. Se observó una morfología granular para las muestras en las que se varió la concentración de trietanolamina (TEA). El tratamiento térmico a 70 °C/ 6 h mostró películas más compactas. Las micrografías AFM mostraron una disminución de la rugosidad con el tratamiento térmico, con valores de 13.9 nm y 9.3 nm, para las muestras de 1.5 M y 1.5 M TT. El análisis por espectroscopía UV-Vis mostró un borde de absorción entre 350 a 600 nm, en donde los valores de ancho de banda prohibido (Eg) del CuS estuvieron entre 2.28 y 2.45 eV. El análisis XPS evidenció el estado Cu1+, así como los enlaces S22-, S2- y Sx2-, asociados a CuS. La composición de las películas de CuS fue evaluada, obteniendo una relación S/Cu de 1.22, 1.12 y 1.01 al aumentar la concentración de TEA de 1.0, 1.5 y 2.0 M, respectivamente. Las mediciones por efecto Hall evidenciaron la naturaleza semiconductora tipo-n del CuS con valores de resistividad eléctrica de 4.12x10-1 Ωcm, movilidad de 6.3x102 cm2/Vs y concentración de portadores de 2.8x1016 cm-3 para la muestra de CuS (1.5 M). El depósito de ZnSe por CBD permitió obtener películas cristalinas a una temperatura de depósito de 70 °C. Se observó un modo vibracional a 255 cm-1 característico del ZnSe. Las micrografías SEM mostraron una morfología granular con hojuelas sobre la superficie. El análisis UV-Vis evidenció un borde de absorción alrededor de 300 a 400 nm y un ancho de banda prohibido de 2.79 eV para la muestra de 70 °C. El análisis por XPS mostró los estados Zn2+ y Se2- asociados al ZnSe. Las propiedades eléctricas fueron evaluadas mediante efecto Hall, obteniendo valores de resistividad, movilidad y concentración de portadores de 3.19x104 Ωcm, 7.5 cm2/Vs y 3.6x1013 cm-3, respectivamente. La eficiencia de conversión fotovoltaica de las películas de CuS y ZnSe fue evaluada a través del diseño de dos sistemas de celdas solares tipo heterounión. Las curvas de corriente-voltaje (J-V) mostraron una eficiencia de conversión de 1.1x10-3% y 7.7x10-4% para las celdas de configuración FTO/CuS/PbS/Ag y FTO/ZnSe/PbS/Ag. Estos resultados indican que las películas de CuS y ZnSe pueden ser candidatas para ser empleadas en celdas solares de tipo heterounión.