Estudio espectroscópico de elipsometría de policristales de Cu2Zn(GexSi1-x)Se4

16 Sep, 2022 | LPG

Publicada una investigación acerca de un nuevo compuesto de kesterita prometedor para el diseño de células solares fotovoltaicas delgadas y de bajo coste.

La actual crisis energética ha puesto de relieve el interés en investigar cómo conseguir nuevos tipos de paneles solares mejorados,i.e que tengan una gran eficiencia y un bajo precio. Una de las formas de conseguir esto es desarrollar nuevos materiales con nuevas propiedades opto-electrónicas.
Hay un tipo de semiconductores llamados calcogenuro cuaternario de los cuales los que tienen su composición del tipo Cu2-BII-CIV-X4 (BII=Zn; CIV=Ge, Si o Sn; X= S o Se) se han vuelto atractivos para la fabricación de células solares de película delgada para absorber la luz. Las células solares fabricadas con estos compuestos presentan las ventajas de que son baratas ya que los elementos que las componen son abundantes en la corteza terrestre, y además no son tóxicas. Se pueden hacer las células en lámina delgada porque las propiedades ópticas de estos materiales muestran que absorben muy bien la luz.
Sin embargo, estas células solares tienen todavía baja eficiencia en comparación con otras a causa de que estos calcogenuros presentan una alta concentración de defectos, lo que una vez en funcionamiento lleva a una baja vida útil de los portadores de corriente minoritarios que tienen que transportar la electricidad generada del interior de la celda hasta el contacto eléctrico.

¿Qué son las células solares de película delgada?

Las celdas solares de película delgada son una segunda generación de células solares. Estas celdas se construyen mediante el depósito de una o más capas con espesores nanométricos sobre un sustrato, como vidrio, plástico o metal.

Esto permite que las células de película delgada sean flexibles, de menor peso y más baratas que las normales.
Actualmente se utilizan en la construcción de sistemas de energía fotovoltaica integrados en objetos o como material de acristalamiento fotovoltaico semitransparente que se puede colocar en ventanas.

Investigaciones recientes en estos compuestos para mejorar sus propiedades eléctricas han conducido a la aleación de Cu2ZnSnSe4 con Cu2ZnGeSe4, las cuales han llegado hasta eficiencias de conversión de las células solares de un 13% (esta eficiencia con otros compuestos puede llegar al 20%).

Utilizando el Silicio

Sin embargo, utilizar el silicio (Si)sustituyendo al estaño (Sn) en estos compuestos puede ser una estrategia interesante para mejorarlos sería más interesante debido a que es mucho más abundante.

Distintas gráficas de mediciones de energía del compuesto

El estudio

En este contexto el equipo investigador formado por el Institute of Applied Physics de la Academy of Sciences of Moldova, Felix Bloch Institute for Solid State Physics de la Universitӓt Leipzig, el Laser Processing Group del Instituto de Óptica y el departamento de Física Aplicada de la Universidad Autónoma de Madrid ha realizado el proceso de síntesis y determinación de las propiedades dieléctricas de soluciones sólidas de una mezcla de 40 al 80% de Cu2ZnGeSe4 y 60 al 20% de Cu2ZnSiSe4, con el objetivo de lograr una banda prohibida adecuada (la eficiencia de una célula solar es mejor cuando la energía de la luz incidente se sitúa ligeramente por encima de la denominada energía de banda prohibida del material de la célula solar).

En el estudio se encontró que la aleación al 25% de Si y 75% de Ge tiene una banda prohibida óptima y buenas propiedades estructurales.

Gracias a este estudio además se ha descubierto que la banda prohibida varía de forma no lineal en la composición de las aleaciones y se obtienen valores de banda prohibida de hasta 1,87 eV.
Estos resultados son esenciales para el diseño de nuevas células solares fotovoltaicas eficientes y muestran el alto potencial de los compuestos de kesterita para el desarrollo de futuras células solares sostenibles de bajo coste.

Semiconductor band structure (lots of bands 2)
La banda prohibida es la energía que necesita un material semiconductor para liberar uno de sus electrones y que pase a la banda de conducción eléctrica

¿Cómo se han generado estas aleaciones?

El proceso de fabricación de esta nueva aleación para poder estudiarla es complejo.
Para ello se prepararon soluciones sólidas del material en una ampolla de cuarzo al vacío sellada y cubierta por dentro con grafito. Para el cultivo se utilizó un horno vertical con un aumento gradual de temperatura de 15 °C por cada cm a lo largo del eje del horno. El procedimiento de síntesis incluyó un calentamiento a 1100 °C, manteniendo esta temperatura durante 10 a 12 h y con un enfriamiento posterior lento (10 °C cada hora). Los lingotes preparados de esta forma se expusieron a un recocido de larga duración (2 meses) a 600 °C para su homogeneización. A continuación, los lingotes se cortaron en discos que se pulieron de forma especial para conseguir una superficie óptica limpia y adecuada en la que se minimizan los defectos en la superficie de las muestras.

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