Síntesis química de capas buffer para nuevas tecnologías de calcogenuros con aplicaciones fotovoltaicas

Abstract

En éste trabajo de Tesis se presentan los resultados más relevantes obtenidos en el desarrollo de capas buffer de CdS y de capas buffer libres de cadmio (sulfuro de indio y sulfuro de zinc) preparadas mediante la técnica de baño químico, más conocida por sus siglas en inglés CBD (Chemical Bath Deposition). La finalidad de estas capas buffer es el procesamiento de celdas solares de bajo coste basadas en calcogenuros de cobre, fundamentalmente CZTSSe.

La producción de celdas solares de bajo coste, alta eficiencia mediante una tecnología respetuosa con el medioambiente, es uno de los mayores retos científicos en el campo de las energías renovables. La obtención de dispositivos que cumplan estas condiciones ha incentivado el desarrollo de nuevos materiales. Las celdas solares de CIGS ostentan el récord absoluto de eficiencia con valores cercanos al 22%. Sin embargo, este compuesto presenta diversas limitaciones que pueden detienen su desarrollo a gran escala, en particular la escasez de dos de sus elementos constituyentes: el In y el Ga. Estas circunstancias han motivado a la comunidad científica internacional a buscar propuestas de nuevos compuestos. En esta búsqueda se han destacado especialmente una familia de compuestos llamados genéricamente Kesterita al ser el nombre de su estructura cristalina.

El material por excelencia utilizado como capa buffer en la kesterita y en general en toda la tecnología de celdas solares de segunda generación es el CdS depositado por baño químico (CBD). Pero el elemento Cd, se considera como un compuesto no adecuado para la producción masiva de módulos fotovoltaicos. Es por ello que usar capas buffer libres de Cd es un aspecto que está siendo investigado alrededor del mundo sin embargo, no se ha encontrado un substituto que permita obtener las altas eficiencias que se han logrado con el CdS. El uso de las capas buffer libres de Cd por lo general va acompañado de pasos de activación, tales como un recocido térmico con la combinación del llamado "light soaking", lo cual al final, incrementa el costo de producción.

El objetivo fundamental de esta tesis se centra en el estudio sistemático de películas delgadas como capas buffer (CdS y materiales libres de Cd) para tecnologías fotovoltaicas basadas en kesteritas. Se hace especial hincapié en la optimización de los parámetros de crecimiento que influyen en las propiedades de las celdas solares procesadas mediante la realización de diversos estudios de las propiedades ópticas, estructurales, morfológicas y de composición química de las películas depositadas, cuyos resultados se encuentran publicados en diferentes revistas científicas arbitradas. Los aspectos más destacados e innovadores en este trabajo son: estudiar el dopado con Cu del CdS para reducir su espesor, estudiar la influencia del uso de diversas sales precursoras de Cd, el estudio de tratamientos térmicos al CdS para sus propiedades físicas y con ello mejorar las características de los dispositivos procesados y finalmente el estudio de multicapas (incluidas las capas buffer libres de Cd) para entender el comportamiento de estas capas con el material absorbedor.

This thesis presents the most relevant results of the synthesis of n-type buffer layers, deposited by chemical bath deposition technique (CBD), for the processing of solar cells based on two semiconductors of direct band gap: CZTSSe and CIGSe. The motivation of this thesis is to produce non-expensive and high efficiency solar cells by environmentally friendly technologies; it represents one of the biggest challenges of the photovoltaic technology. Because of that, the objective of this thesis is to deposit CdS thin films by CBD to study the influence of the growth parameters on the optoelectronic properties of the processed solar cells. These results were obtained through optical, structural, morphological and chemical composition studies.

Nowadays, the best material used as buffer layer in almost all the thin films solar cell technologies is CdS obtained by CBD. The option of not using Cd compounds is an aspect that is been investigated around the world to only use environmentally friendly processes; in this thesis Cd-free buffer layers are also studied. However, no other substitute compound has achieved such high efficiencies as CdS. Highlights of the thesis include: adding a Cu salt to the chemical bath to obtain ultra-thin CdS layers, studying the influence of the use of various salts of Cd precursors, investigating the post thermal treatments of the CdS/absorber junction and the study of Cd-free buffer layers such as indium sulfide and zinc sulfide and multilayers of them all. This work was performed in the Solar Energy Materials and Systems (SEMS) group at Catalonia Institute for Energy Research (IREC).