Confección de celdas solares fotovoltaicas utilizando materiales y técnicas de deposición de bajo costo

El investigador de la Escuela de Ingeniería Química, Dr. Marcelo León, se encuentra trabajando en la confección de celdas solares fotovoltaicas de película delgada multicapa en estado sólido, considerando la utilización de  materiales y técnicas de deposición de bajo costo, y fabricación en base a películas tipo-n de ZnO dopado con cloruro (ZnO:Cl), como material transportador de electrones (ETL), ZnS y/o SnS₂ tipo-n, capa buffer transportadora de electrones (ETBL) libre de Cd, películas tipo-p de Cu₂XSnS₄ (X: Zn, Fe, Ni, Mn) con estructura tipo kesterita, y material absorbente (CXTS), soportados sobre substratos de vidrio conductor de SnO₂:F (FTO).

Durante esta investigación el Dr. León pretende estudiar la calidad de las interfases obtenidas al utilizar una capa de bloqueo de electrones (EBL), en base a CuSCN y/o NiO y pasta conductora de carbono (PC) y/o oro (Au), como contactos eléctricos posteriores (CE), en reemplazo del tradicional molibdeno.

De este modo, se considera la construcción de celdas en base a dos configuraciones estructurales distintas. La primera celda de estructura FTO/ETL/ETBL/CXTS/CE (Figura 1a), y la segunda celda de estructura FTO/ETL/ETBL/CXTS/EBL/CE (Figura 1b).

A nivel específico, el Dr. León plantea el estudio de la electrodeposición y caracterización de películas de óxido de zinc dopadas con cloruro (ZnO:Cl), sobre electrodos de FTO a diferentes temperaturas de baño electroquímico; y de la electrodeposición y caracterización de capas buffer de ZnS(SnS₂) sobre electrodos de FTO y FTO/ZnO:Cl, como la caracterización de las capas formadas a diferentes temperaturas de baño electroquímico.

Por otra parte, se enfocará en el análisis de la electrodeposición y caracterización de películas de Cu₂XSnS₄ (X: Zn, Fe, Ni, Mn) sobre electrodos de FTO y FTO/ZnO:Cl/ZnS(SnS₂), como caracterización de las películas obtenidas a diferentes temperaturas de baño electroquímico y caracterización del dispositivo solar fotovoltaico obtenido, utilizando un contacto eléctrico posterior de pasta conductora de carbono y/o Au.

Finalmente, realizará una deposición a partir de técnicas químicas de películas delgadas de CuSCN(NiO) sobre las capas absorbentes de Cu₂XSnS₄ (X: Zn, Fe, Ni, Mn) en los electrodos de FTO/ZnO:Cl/ZnS(SnS₂)/CXTS, como caracterización de las películas y dispositivos solares fotovoltaicos obtenidos, utilizando un contacto eléctrico posterior de pasta conductora de carbono y/o Au.

De esta forma, la primera celda FTO/ETL/ETBL/CXTS/CE se construirá a partir de la electrodeposición de una película delgada de ZnO:Cl, utilizando un baño electroquímico en fase acuosa a diferentes temperaturas entre 50-70 °C, en base a sales de ZnCl₂ y en presencia de oxígeno molecular, seguido de la electrodeposición de una delgada capa ETBL, utilizando baño electroquímico en fase acuosa a diferentes temperaturas entre 25-70 °C y en ausencia de oxígeno molecular, en base a sales de ZnSO₄ y Na₂S₂O₃ para formar ZnS o en base a sales de SnSO₄ y Na₂S₂O₃ para formar SnS₂.

Posteriormente, se pretende depositar CXTS sobre los sustratos de FTO/ETL/ETBL obtenidos previamente, utilizando un baño electroquímico en fase acuosa a partir de sales precursoras de Cu²⁺, Zn²⁺ (Fe²⁺, Ni²⁺, Mn²⁺), Sn^2+, y un posterior tratamiento térmico en presencia de azufre elemental.

Si las películas de CXTS no resultan ser depositadas en forma óptima por electrodeposición, se estudiará la deposición de estas capas por vía química. Finalmente, a las estructuras FTO/ETL/ETBL/CXTS se les depositará un contacto eléctrico posterior, el cual funcionará como contacto eléctrico posterior no reactivo y libre de Mo.

La segunda celda FTO/ETL/ETBL/CXTS/EBL/CE se pretende construir de forma similar a la celda anterior hasta la deposición de la capa CXTS donde, posteriormente, se depositará una delgada capa de CuSCN y/o NiO por vía química y un contacto eléctrico posterior. Los depósitos serán caracterizados por medio de técnicas de difracción de rayos-X (XRD), microscopía electrónica de barrido (SEM), espectroscopia de dispersión de energía (EDS), microscopía electrónica de transmisión (TEM), medidas de absorción UV-Vis y medidas de espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS) para la obtención de los gráficos de Mott-Schottky.

Por otra parte, los dispositivos fotovoltaicos obtenidos se caracterizarán a través de un simulador solar bajo oscuridad e iluminación con filtro AM1.5, para así determinar la curva j-V y obtener valores de corriente de corto circuito (JSC), potencial a circuito abierto (VOC), eficiencia de conversión máxima de la celda solar (η) y factor de forma o llenado (FF).

“A través de esta investigación, espero obtener conocimiento que aporte al entendimiento de nuevas interfases entre películas semiconductoras para la obtención de dispositivos solares fotovoltaicos”, señala el Dr. León

Finalmente, con todo lo anterior, el investigador proyecta la obtención de publicaciones en revistas y exposiciones en congresos nacionales e internacionales de la especialidad.