demostrada (9); un dispositivo prometedor, recientemente reportado se compone de nanocristales Bi 2 S 3 y PbS con una eficiencia de conversión de

Transcripción

1 Desarrollo de celdas solares en película delgada de compuestos I-V-VI por métodos químicos y aplicación de la teoría constructal para el mejoramiento de la eficiencia. Sarah Ruth Messina Fernández Universidad Autónoma de Nayarit ÁREA VII- Ciencias de la Ingeniería Apoyo a iniciativas de Profesor-Investigador Antecedentes: La investigación y desarrollo de materiales semiconductores en película delgada es importante para la producción de celdas solares debido a que las tecnologías fotovoltaicas en película delgada requieren muy poco material para alcanzar eficiencias de conversión del orden del 20% (1). La tendencia a desarrollar celdas solares en película delgada es tan trascendental que incluso la tecnología de silicio ha optado por este método (2). Entre los compuestos semiconductores más investigados a nivel mundial se encuentran el CdTe, el CuInSe 2 (CIS) y el CuInGaSe 2 (CIGS). Un problema con éstos es la poca disponibilidad de los elementos In y Te sobre la corteza terrestre, lo que impide sostener una producción masiva durante varios años (3). De ahí la necesidad de encontrar nuevos materiales abundantes y de baja toxicidad y procesos de fabricación sencillos, que complementen las tecnologías actuales (4). La energía eléctrica que se produce mediante el efecto fotovoltaico en las celdas solares comprende tres fenómenos físicos: Absorción de fotones y generación de pares de electrón-hueco (e-h); Separación de cargas mediante un campo eléctrico interno; y Colección de las cargas mediante contactos eléctricos adecuados para transportar a los electrones hacia un circuito externo y realizar trabajo útil. Los materiales semiconductores se caracterizan por ser capaces de poder llevar a cabo dichos procesos, sin embargo, sólo algunos de ellos han podido ser aplicados en la fabricación de celdas solares exitosas. Por otra parte, la ley constructal explica el fenómeno universal de la generación y evolución del diseño (configuración, forma, estructura, patrón, ritmo) y cómo la naturaleza diseña un sistema, su aplicación en los sistemas energéticos es apenas incipiente (5). El diseño de los contactos metálicos de las celdas solares es un aspecto importante para lograr celdas eficientes. En este trabajo, se propone un enfoque basado en la teoría constructal para el análisis y diseño de los contactos eléctricos, con la finalidad de minimizar las pérdidas resistivas. Una celda optimizada por la teoría constructal fue reportada previamente por Bahkta et al., ellos obtuvieron las relaciones geométricas de una configuración reticular para el óptimo transporte de corriente, los resultados hasta ahora son teóricos (6). Entre las características que hacen a un material semiconductor adecuado para aplicaciones fotovoltaicas está la brecha de energía (E g ), que debe ser de 1.1 ev a 1.6 ev y un alto coeficiente de absorción óptica, del orden de 10 5 cm -1, para poder absorber más del 90% de la radiación incidente, con espesores de material de unos 300 nm (7). Uno de los materiales novedosos más investigados a nivel mundial destaca el Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS), con el cual recientemente se logró un récord de eficiencia del 10.1% (8). El sulfuro de bismuto (Bi 2 S 3 ), es otro semiconductor de interés, posee una brecha de energía de E g = 1.3 ev y su aplicación en el desarrollo de celdas solares en película delgada has sido

2 demostrada (9); un dispositivo prometedor, recientemente reportado se compone de nanocristales Bi 2 S 3 y PbS con una eficiencia de conversión de 5.0% (10); además, el Bi 2 S 3 se utiliza como precursor para el desarrollo de compuestos ternarios con cobre, que ofrecen propiedades de material absorbedor ideal (11). Recientemente se reportó que el tratamiento de películas de Bi 2 S 3 en plasma de argón, produce mejores características optoelectrónicas comparado con tratamiento térmicos en aire o N 2 (12). Los calcogenuros de antimonio poseen brecha de energía en el intervalo de 1 a 1.7 ev y en el trabajo doctoral de la proponente quedó demostrada su aplicación en celdas solares que integran Sb 2 S 3 (13) y Sb 2 Se 3 (14); sin embargo, la eficiencia de conversión se vio limitada a valores del 1%, debido a la alta resistencia en serie y baja densidad de corriente de corto circuito. Posteriormente, se reportó una celda con 2.5% utilizando la solución sólida Sb 2 S 1.2 Se 1.8 (15) y está demostrado teóricamente que con estos materiales se pueden obtener eficiencias de conversión comparables a las del Si y CIGS, debido al valor de E g de dichos compuestos. Una celda solar electrodepositada que integra CuSbS 2 se reportó recientemente, con eficiencia de conversión 3.1 % (16). Por otro lado, la reciente aparición de celdas solares de alta eficiencia basadas en perovskitas de halogenuros de plomo, promete transformar las celdas solares sensibilizadas por tinte y las celdas solares en película delgada, debido a que se han alcanzado eficiencias superiores al 15% en este tipo de dispositivos. Las perovskitas de halogenuros de organoplomo cumplen con los principales requisitos para una celda récord, fuerte absorción de luz, alta generación de portadores y excelentes propiedades de transporte; sin embargo, las tecnologías fotovoltaicas exitosas requieren además tener buena estabilidad a largo plazo. Desafortunadamente, las celdas basadas en perovskitas son inestables cuando se exponen a la radiación UV. Además, desde un punto de vista ambiental se cree que el uso de Pb limitará la fabricación a gran escala de celdas solares de perovskitas de haluros de organoplomo (17) de ahí la necesidad de investigación en perovskitas con elementos más nobles con el ambiente, como el estaño o bismuto, lo cual podría ser una aportación más del presente proyecto. No obstante a los avances en la investigación en ciencia de materiales para aplicaciones fotovoltaicas, aún no ha sido posible alcanzar los parámetros de desempeño de las celdas récord en las tecnologías en película delgada de materiales novedosos o resolver los problemas de inestabilidad de las celdas orgánicas, lo que sugiere la necesidad de dedicar esfuerzos de investigación hacia la optimización de este tipo de compuestos y a la búsqueda de alternativas más respetuosas con el medio ambiente, que resulten en el desarrollo de celdas solares eficientes, de bajo costo y que consideren criterios de abundancia, disponibilidad y baja toxicidad de los materiales y técnicas de fabricación sencillas, protegiendo al medio ambiente y la salud humana. En este trabajo se espera obtener materiales en película delgada de compuestos I-V-VI de características optimizadas que permitan el desarrollo de celdas solares sintetizadas químicamente. Asimismo, aplicando los principios básicos de la teoría constructal, se pretende incrementar la eficiencia de conversión de los dispositivos a partir del estudio y diseño de los contactos eléctricos de las celdas. Con el presente proyecto se espera la optimización de los espesores de las películas por

3 medio de pre-tratamientos de los sustratos, con la finalidad de tener superficies más adecuadas para favorecer la fase de la nucleación y crecimiento; con los tratamientos post depósito, se incrementará la cristalinidad y se favorecerá la reacción completa para la formación de los compuestos ternarios y; la optimización de contactos eléctricos, resultará en una mejor colección de portadores foto-generados que ayudará a incrementar la densidad de corriente de corto circuito y, en consecuencia, la eficiencia de los dispositivos. Hipótesis: La investigación y desarrollo de celdas solares en película delgada de compuestos I-V-VI, que por sus características optoelectrónicas son considerados materiales absorbedores ideales; la utilización de métodos químicos para la síntesis y la optimización por medio de pre-tratamientos de los sustratos y tratamientos post-depósito de las películas; junto con el uso de electrodos adecuados, basados en diseños y geometrías de la teoría constructal, permitirá mejorar la eficiencia de conversión de las celdas y generar nuevos conocimientos que podrán ser aplicados, posteriormente, en la fabricación de celdas solares en película delgada como una tecnología complementaria e innovadora a las ya disponibles en el mercado fotovoltaico actual. Objetivo: Desarrollar celdas solares en película delgada de compuestos I-V-VI utilizando métodos químicos de síntesis y diseños basados en la teoría constructal para la optimización de los contactos eléctricos que resulten en una mayor eficiencia de conversión de los dispositivos. Objetivos particulares: 1. Síntesis y caracterización de películas delgadas de compuestos I-VI y V-VI, mediante depósito por baño químico y/o electro-depósito. 2. Mejoramiento de las propiedades físicas de las películas delgadas mediante pre-tratamientos de los sustratos. 3. Síntesis y caracterización de películas delgadas de compuestos I-V-VI, mediante depósito secuencial de películas binarias y tratamientos post-depósito. 4. Caracterización óptica, eléctrica, estructural y morfológica de las películas de composición binaria y ternaria de características óptimas. En colaboración con IER-UNAM (LIFYCS) y CEMIE-Sol. 5. Diseño de estructuras fotovoltaicas en configuración substrato y superestrato de compuestos I-V-VI. 6. Desarrollo de celdas solares de compuestos I-V-VI obtenidas por métodos químicos. 7. Caracterización de las celdas solares mediante análisis de la curva característica I-V y la respuesta espectral. En colaboración IER-UNAM (LIFYCS). 8. Análisis teórico de las celdas solares basadas en diseños constructales. 9. Optimización de las celdas y mejoramiento de la eficiencia mediante la teoría constructal aplicada al diseño de los contactos eléctricos. 10. Estudio comparativo de celdas solares con electrodos convencionales y electrodos constructales.

4 Metodología: Se utilizarán los métodos de depósito químico y electro-depósito de calcogenuros de metales para la síntesis de películas semiconductoras de composición binaria (Sb 2 S 3, Sb 2 Se 3 Bi 2 S 3, Bi 2 Se 3, CuS y Cu 2-x Se). Mediante depósito secuencial de películas binarias, que podrán sintetizarse con ambos métodos o por una combinación de ellos, y tratamientos post-depósito, se llevará a cabo la formación de los compuestos ternarios. El trabajo de investigación se enfocará en la optimización de características optoelectrónicas, estructurales y morfológicas de las películas, mediante el uso de diferentes pre-tratamientos de los substratos para mejorar el espesor, la calidad, adherencia y uniformidad, así como los tratamientos post-depósito en atmósfera inertes para la completa formación los ternarios y el aumento de la cristalinidad. Para el desarrollo de las celdas solares se utilizarán sustratos de vidrio con recubrimientos conductores transparentes (SnO 2 :F) para estructuras en configuración superestrato o molibdeno para configuraciones tipo substrato. Como capa buffer se utilizarán películas delgadas de CdS químicamente depositadas y como capa ventana el ZnO. Los compuestos de características optimizadas que se desarrollen en el presente trabajo, se integrarán en las distintas configuraciones previamente analizadas y diseñadas. Finalmente, una aportación relevante del presente proyecto será la aplicación de la teoría constructal en el diseño de los contactos eléctricos de los dispositivos, los cuales serán aplicados con técnicas de serigrafía o impresión en 3D (del gasto de inversión), con la finalidad de optimizar la colección de los portadores de carga fotogenerados y, en consecuencia, aumentar la densidad de corriente, parámetro que hasta ahora ha afectado considerablemente la eficiencia de conversión de los dispositivos fotovoltaicos mencionados en los antecedentes. Infraestructura disponible: En laboratorio del Cuerpo Académico de Sustentabilidad Energética de la Universidad Autónoma de Nayarit, se cuenta con la infraestructura científica básica para la síntesis por baño químico y electrodepósito, además de síntesis asistida por microondas, y equipo para la caracterización óptica y eléctrica de los materiales, adquiridos a través del fondo de infraestructura de CONACYT convocatoria 2014, por gestión de la proponente. En el Laboratorio de Innovación Fotovoltaica y Caracterización de Celdas Solares (LIFYCS) con sede en el IER-UNAM y el CEMIE-Sol, se realizará la caracterización estructural (XRD), morfológica (SEM-AFM) y de composición (XPS y XRF) de las películas, así como la caracterización de los dispositivos fotovoltaicos mediante el análisis de la curva I-V, la respuesta espectral y la eficiencia cuántica. Resultados esperados: 1. Presentación de resultados en el congreso anual de la sociedad de investigación en materiales (MRS), uno por año. 2. Publicación de resultados en por lo menos tres artículos en JCR, uno por año. 3. Trámite de una patente sobre una celda solar constructal. 4. Titulación de por lo menos tres estudiantes de licenciatura con tesis: (1) Síntesis y caracterización de películas delgadas de compuestos V-VI obtenidas por electro-depósito.

5 (2) Síntesis y caracterización de películas delgadas de compuestos V-VI por depósito químico. (3) Diseño y Análisis de dispositivos semiconductores con contactos eléctricos basados en diseños de la teoría constructal. 5. Graduación de por lo menos un estudiante de maestría: (1) Tesis: Desarrollo de celdas solares depositadas químicamente y optimizadas mediante contactos eléctricos diseñados por la teoría constructal. 6. Graduación de un estudiante de doctorado con institución externa (FCQ-UANL). (1) Tesis: Desarrollo de Celdas solares basadas en película delgada de compuestos ternarios del sistema Cu-Bi-S como material absorbedor. 7. Consolidación del cuerpo académico UAN-CA-257 que coordina la proponente, como resultado del aumento de artículos publicados y tesis dirigidas. Grupo de investigación: Dra. Leticia Guerrero Rosales (UAN CA 257) Apoyo en la Síntesis Química de materiales. Dra. Yamilet Rodríguez Lazcano (Repatriación-UAN) Apoyo en el desarrollo de Celdas Solares por depósito químico. Dra. Rocío Castañeda Valderrama (CU Valles U de G) Apoyo en el desarrollo de celdas solares por electro-depósito. Dra. Claudia Estela Saldaña (UAN-CA-257) Diseño de contactos eléctricos. Dra. Yolanda Peña Méndez (FCQ-UANL) Apoyo en la formación de doctores. Dr. Karunakaran Nair (LIFYCS -IER-UNAM-) Asesoría general en el proyecto. Gasto corriente: 1,080,000 Gasto de inversión: 120,000 Monto total solicitado $ 1,200,000 Bibliografía 1. Prog. Photovoltaics Res. Appl., (2011), Vol. 19, págs Solar Energy Materials and Solar Cell, (2013), Vol. 119, págs Renewable Energy, (2008), Vol. 33, págs Thin Solid Films, (2009), Vol. 517, págs Adrian Bejan., Shape and structure, from engineering to Nature. Cambridge University Press, Int. J. of Thermodynamics, (2005), Vol. 8, págs Jenny Nelson., The Physics of Solar Cells. Imperial College Press, Prog. Photovoltaics Res. Appl., (2012), Vol. 20, págs Thin Solid Films, (2011), Vol. 519, págs Nature Photonics, (2012), Vol. 6, págs Energy Procedia, (2014), Vol. 44, págs Applied Surface Science, (2014), Vol. 311, págs Thin Solid Films, (2009), Vol. 517, págs Journal of Electrochemical Society, (2009), Vol. 156, págs. H327 - H Journal of Solid State Science and Technology, (2013), Vol. 2, págs.q69 -Q Thin Solid Films, (2014), Vol. 550, págs Chinese Journal of Catalysis, (2014), Vol. 35, págs