I Taller de Innovación Fotovoltaica y Caracterización de Celdas Solares Celdas Solares por Depósito Químico

Transcripción

1 I Taller de Innovación Fotovoltaica y Caracterización de Celdas Solares Celdas Solares por Depósito Químico Sarah Ruth Messina Fernández sarah.messina.uan@gmail.com Universidad Autónoma de Nayarit 10 de Marzo de 2011

2 Contenido 1 Introducción 2 Antecedentes 3 Objetivos 4 Metodología 5 Resultados 6 Conclusiones

3 La técnica de depósito químico Ventajas: Es una técnica sencilla No se utilizan equipos sofisticados ni de alto vacío El consumo de energía es mínimo Se generan niveles de contaminación relativamente bajos Es adecuada para la producción en área grande Desventajas: Baja eficiencia de conversión de los dispositivos Tamaños de grano de sólo decenas de nanómetros Problemas de inestabilidad por reacciones con el medio ambiente

4 La técnica de depósito químico Ventajas: Es una técnica sencilla No se utilizan equipos sofisticados ni de alto vacío El consumo de energía es mínimo Se generan niveles de contaminación relativamente bajos Es adecuada para la producción en área grande Desventajas: Baja eficiencia de conversión de los dispositivos Tamaños de grano de sólo decenas de nanómetros Problemas de inestabilidad por reacciones con el medio ambiente

5 La técnica de depósito químico Ventajas: Es una técnica sencilla No se utilizan equipos sofisticados ni de alto vacío El consumo de energía es mínimo Se generan niveles de contaminación relativamente bajos Es adecuada para la producción en área grande Desventajas: Baja eficiencia de conversión de los dispositivos Tamaños de grano de sólo decenas de nanómetros Problemas de inestabilidad por reacciones con el medio ambiente

6 Lo que se había hecho en el grupo... 1 Peĺıculas de Sb 2 S 3 fotoconductivas, con estructura cristalina ortorrómbica y E g entre 1.7 y 1.8 ev. 1 2 Estructuras fotovoltaicas con Sb 2 S 3 y CuSbS 2 como absorbedor con V oc 350 mv y J sc 0.2 ma/cm Estructuras fotovoltaicas de SnO 2 :F/CdS/Sb 2 S 3 /AgSbSe 2 con V oc = 530 mv y J sc 2 ma/cm J Electrochem Soc (1998) 145 (6) J Electrochem Soc (2005) 152G635 3 Semicond Sci Technol (2005)

7 Lo que se había hecho en el grupo... 1 Peĺıculas de Sb 2 S 3 fotoconductivas, con estructura cristalina ortorrómbica y E g entre 1.7 y 1.8 ev. 1 2 Estructuras fotovoltaicas con Sb 2 S 3 y CuSbS 2 como absorbedor con V oc 350 mv y J sc 0.2 ma/cm Estructuras fotovoltaicas de SnO 2 :F/CdS/Sb 2 S 3 /AgSbSe 2 con V oc = 530 mv y J sc 2 ma/cm J Electrochem Soc (1998) 145 (6) J Electrochem Soc (2005) 152G635 3 Semicond Sci Technol (2005)

8 Lo que se había hecho en el grupo... 1 Peĺıculas de Sb 2 S 3 fotoconductivas, con estructura cristalina ortorrómbica y E g entre 1.7 y 1.8 ev. 1 2 Estructuras fotovoltaicas con Sb 2 S 3 y CuSbS 2 como absorbedor con V oc 350 mv y J sc 0.2 ma/cm Estructuras fotovoltaicas de SnO 2 :F/CdS/Sb 2 S 3 /AgSbSe 2 con V oc = 530 mv y J sc 2 ma/cm J Electrochem Soc (1998) 145 (6) J Electrochem Soc (2005) 152G635 3 Semicond Sci Technol (2005)

9 Logros obtenidos durante el proyecto de tesis doctoral... 1 En celdas solares con Sb 2 S 3 /PbS se alcanzaron valores de hasta V oc = 640 mv y J sc = 3 ma/cm En celdas solares con Sb 2 Se 3 :Sb 2 O 3 /Sb 2 S 3 /PbS el V oc disminuyó a 520 mv debido a la disminución de E g = 1.3 ev para este manterial, J sc se incrementó a 4.2 ma/cm 2 debido al mejoramiento de la absorción óptica. 5 3 En las celdas solares con Sb 2 S x Se 3 x formado por el horneado a 250 o C en aire se obtiene V oc = 580 mv y J sc 3 ma/cm J Phys D: Appl Phys (2008) J Electrochem Soc (2009) 156 H327 6 Thin Solid Films (2009)

10 Logros obtenidos durante el proyecto de tesis doctoral... 1 En celdas solares con Sb 2 S 3 /PbS se alcanzaron valores de hasta V oc = 640 mv y J sc = 3 ma/cm En celdas solares con Sb 2 Se 3 :Sb 2 O 3 /Sb 2 S 3 /PbS el V oc disminuyó a 520 mv debido a la disminución de E g = 1.3 ev para este manterial, J sc se incrementó a 4.2 ma/cm 2 debido al mejoramiento de la absorción óptica. 5 3 En las celdas solares con Sb 2 S x Se 3 x formado por el horneado a 250 o C en aire se obtiene V oc = 580 mv y J sc 3 ma/cm J Phys D: Appl Phys (2008) J Electrochem Soc (2009) 156 H327 6 Thin Solid Films (2009)

11 Logros obtenidos durante el proyecto de tesis doctoral... 1 En celdas solares con Sb 2 S 3 /PbS se alcanzaron valores de hasta V oc = 640 mv y J sc = 3 ma/cm En celdas solares con Sb 2 Se 3 :Sb 2 O 3 /Sb 2 S 3 /PbS el V oc disminuyó a 520 mv debido a la disminución de E g = 1.3 ev para este manterial, J sc se incrementó a 4.2 ma/cm 2 debido al mejoramiento de la absorción óptica. 5 3 En las celdas solares con Sb 2 S x Se 3 x formado por el horneado a 250 o C en aire se obtiene V oc = 580 mv y J sc 3 ma/cm J Phys D: Appl Phys (2008) J Electrochem Soc (2009) 156 H327 6 Thin Solid Films (2009)

12 2 Celdas solares con Sb 2 S 3 D e n s id a d d e c o rrie n te ] [m A /c m C -A g P b S (2 0 0 n m ) 2 S b 2 S 3 (i) C d S (c it) 1 S n O :F 2-0,2 0,2 0,4 0,6 0,8-1 V o lta je [V ] -2 A ) B ) D ) C ) E s p e s o r V o c J s c F F η (n m ) (m V ) (m A /c m 2 ) (% ) A ) B ) C ) D )

13 2 Celdas solares Sb 2 S x Se 3 x D e n s id a d d e c o rrie n te 3,7 5 2,5 0 1,2 5 0,0 0-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 A ) ] [m A /c m -1,2 5 P b S S b 2 S x S e 3 -x C d S (c it) S n O 2 :F V o lta je [V ] B ) C ) -2,5 0-3,7 5 P b S (n m ) V o c (m V ) J s c (m A /c m 2 ) F F η (%) A ) B ) C )

14 ] 2 Celdas solares con Sb 2 Se 3 D e n s id a d d e c o rrie n te [m A /c m ,4-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 V o lta je [V ] a ) -3 S n O 2 :F b ) -6 V o c (m V ) J s c (m A /c m ) F F η (% ) a ) b ) I L = W /m A g C P b S S b 2 S x S e 3 -x :S b 2 O 3 C d S

15 V oc e I sc del módulo de 10 cm x 15 cm con celdas tipo: SnO 2 :F/CdS/Sb 2 S 3 /PbS

16 V oc e I sc del módulo de 10 cm x 15 cm con celdas tipo: SnO 2 :F/CdS/Sb 2 S 3 /PbS

17 Objetivos Objetivo General: Desarrollo de celdas solares de calcogenuros de metales por depósito químico Objetivos Particulares: Implementar en la Universidad Autónoma de Nayarit la técnica de Depósito por Baño Químico (CBD). Obtener peĺıculas delgadas de compuestos semiconductores II-VI, IV-VI y V-VI para aplicaciones fotovoltaicas. Desarrollar estructuras fotovoltaicas utilzando únicamente CBD. Caracterizar los materiales y Dispositivos desarrollados en colaboración con el CIE-UNAM y la UANL.

18 Metodología 1 Depositar peĺıculas de CdS, ZnS ZnO, SnS SnO 2 sobre sustratos de vidrio y sobre vidrio con recubrimiento conductor transparente de SnO 2 :F, para aplicación como material ventana. 2 Depositar peĺıculas de Sb 2 S 3, Sb 2 Se 3 como material absorbedor. 3 Hacer tratamientos térmicos adecuados para el mejoramiento de las propiedades ópticas, eléctricas y estructurales de los materiales involucrados. 4 Depositar peĺıculas de PbS como capa p +. 5 Caracterizar mediante la medición de la curva I-V los dispositivos desarrollados.

19 En este trabajo... Celdas Solares de Sb 2 S 3 /PbS con materiales ventana alternativos al CdS 1 Las estructuras fotovoltaicas tipo: SnO 2 :F/ZnS/Sb 2 S 3 /PbS/C/Ag presentan V oc 150 mv y J sc < 1 ma/cm 2. 2 Si el ZnS es horneado a 380 o C, se vuelve fotoconductivo y los parámetros de la celda mejoran, V oc = 240 mv y J sc < 1 ma/cm 2. 3 Si el ZnS es horneado a 450 o C por 1 h, éste se convierte a ZnO, así se forma la estructura: SnO 2 :F/ZnO/Sb 2 S 3 /PbS, con V oc = 250 mv y J sc 1 ma/cm 2. a a Semicond Sci Technol (1997)

20 En este trabajo... Celdas Solares de Sb 2 S 3 /PbS con materiales ventana alternativos al CdS 1 Las estructuras fotovoltaicas tipo: SnO 2 :F/ZnS/Sb 2 S 3 /PbS/C/Ag presentan V oc 150 mv y J sc < 1 ma/cm 2. 2 Si el ZnS es horneado a 380 o C, se vuelve fotoconductivo y los parámetros de la celda mejoran, V oc = 240 mv y J sc < 1 ma/cm 2. 3 Si el ZnS es horneado a 450 o C por 1 h, éste se convierte a ZnO, así se forma la estructura: SnO 2 :F/ZnO/Sb 2 S 3 /PbS, con V oc = 250 mv y J sc 1 ma/cm 2. a a Semicond Sci Technol (1997)

21 En este trabajo... Celdas Solares de Sb 2 S 3 /PbS con materiales ventana alternativos al CdS 1 Las estructuras fotovoltaicas tipo: SnO 2 :F/ZnS/Sb 2 S 3 /PbS/C/Ag presentan V oc 150 mv y J sc < 1 ma/cm 2. 2 Si el ZnS es horneado a 380 o C, se vuelve fotoconductivo y los parámetros de la celda mejoran, V oc = 240 mv y J sc < 1 ma/cm 2. 3 Si el ZnS es horneado a 450 o C por 1 h, éste se convierte a ZnO, así se forma la estructura: SnO 2 :F/ZnO/Sb 2 S 3 /PbS, con V oc = 250 mv y J sc 1 ma/cm 2. a a Semicond Sci Technol (1997)

22 Celdas Solares con ZnS o ZnO como ventana y capa buffer de CdS En estructuras tipo: SnO 2 :F/ZnS/CdS/Sb 2 S 3 /PbS y SnO 2 :F/ZnO/CdS/Sb 2 S 3 /PbS con CdS de sólo 40 nm se retiene el V oc entre 500 y 600 mv y J sc 1 ma/cm Densidad de Corriente [ma/cm 2 ] Voltaje [V] PbS Sb 2 S 3 CdS ZnS V oc J sc FF n-zns) ZnSLuz n-zno) ZnOLuz

23 El SnO 2 como capa ventana SnO 2 como capa ventana La conversión de peĺıculas delgadas de SnS a SnO 2 es posible mediante procesos de horneado en aire a 450 o C por 30 min. En estructuras fotovoltaicas con SnO 2 /Sb 2 S 3 /PbS se encontraron valores de V oc y J sc insignificantes, sin embargo en estructuras tipo SnO 2 /CdS/Sb 2 S 3 /PbS en la cual la capa de CdS es de sólo 40 nm mostró valores de V oc = 480 mv y J sc 3-4 ma/cm 2.

24 El SnO 2 como capa ventana Celdas solares tipo: SnO 2 :F/SnO 2 /CdS/Sb 2 S 3 /PbS/C/Ag Densidad de Corriente [ma/cm 2 ] V oc J sc FF Voltaje [V] PbS Sb 2 S nm CdS 40 nm SnO 2 80 nm -6.0 TEC 15

25 Conclusiones 1 La estructura fotovoltaica CdS/Sb 2 S 3 /PbS con capa ventana de CdS de nm sobre el TCO, reportada anteriormente, sigue siendo la mejor de esta categoría. 2 En todos los casos los parámetros de la celda se ven afectados por la alta resistencia en serie comparada con la resistencia en paralelo 3 En este trabajo se demostró que la técnica de CBD permite producir celdas solares en peĺıcula delgada aún teniendo condiciones mínimas de infraestructura científica.

26 Conclusiones 1 La estructura fotovoltaica CdS/Sb 2 S 3 /PbS con capa ventana de CdS de nm sobre el TCO, reportada anteriormente, sigue siendo la mejor de esta categoría. 2 En todos los casos los parámetros de la celda se ven afectados por la alta resistencia en serie comparada con la resistencia en paralelo 3 En este trabajo se demostró que la técnica de CBD permite producir celdas solares en peĺıcula delgada aún teniendo condiciones mínimas de infraestructura científica.

27 Conclusiones 1 La estructura fotovoltaica CdS/Sb 2 S 3 /PbS con capa ventana de CdS de nm sobre el TCO, reportada anteriormente, sigue siendo la mejor de esta categoría. 2 En todos los casos los parámetros de la celda se ven afectados por la alta resistencia en serie comparada con la resistencia en paralelo 3 En este trabajo se demostró que la técnica de CBD permite producir celdas solares en peĺıcula delgada aún teniendo condiciones mínimas de infraestructura científica.

28 Trabajo Futuro 1 Mejorar las conductividades eléctricas de los materiales involucrados. 2 Formación de compuestos ternarios que estables y con características adecuadas para aplicación como material absorbedor en las celdas.

29 Trabajo Futuro 1 Mejorar las conductividades eléctricas de los materiales involucrados. 2 Formación de compuestos ternarios que estables y con características adecuadas para aplicación como material absorbedor en las celdas.

30 Introduccio n Antecedentes Objetivos Metodologı a Resultados Gracias... por su atencio n Gracias... a CONACyT por la beca de retencio n otorgada a la Universidad Auto noma de Nuevo Leo n al Centro de Investigacio n en Energı a al CA de Sustentabilidad Energe tica de la UAN Conclusiones