Publication: Desarrollo y optimización de láminas delgadas de "CuIn₁₋xAlxSe₂" con x≤0.4 para aplicaciones fotovoltaicas
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Publication Date
2015-05-22
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Universidad Complutense de Madrid
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Abstract
Las fotovoltaica terrestre demanda a día de hoy mejoras en la eficiencia junto con una sustancial reducción de los costes. En ese sentido el Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) está recibiendo gran atención como absorbente en células solares de lámina delgada debido a las altas eficiencias obtenidas. Sin embargo existen otras alternativas al CIGS dentro de los compuestos tipo CuInSe2 (CIS), como el Cu(In,Al)Se2 (CIAS) con interesantes ventajas: el aluminio es un metal más barato que el galio, su incorporación produce menos desorden en la red calcopirita, permite un amplio ajuste de la energía del gap (1.0-Eg(eV)-2.7), etc. Debido al bajo desarrollo experimental enfocado en el compuesto CIAS y a su prometedor funcionamiento como absorbente, este material ha sido estudiado en profundidad en el presente trabajo. Los objetivos principales en este estudio han consistido en la optimización tanto del proceso de preparación como de las características de las películas delgadas de la calcopirita CIAS (con 0.0-x -0.4 y espesores de 1 m). La preparación ha sido realizada mediante un proceso secuencial en dos etapas. La primera consiste en la evaporación de un apilamiento metálico sobre vidrio desnudo o recubierto de Mo. Este proceso se materializa en un único sistema de depósito mediante la evaporación por haz de electrones y/o la evaporación térmica. En la segunda etapa se colocan en una caja parcialmente cerrada las capas precursoras junto con el selenio elemental, que se introduce en un horno a diferentes temperaturas bajo un flujo de Ar constante. Partiendo de los conocimientos previos adquiridos en nuestro laboratorio en la preparación de absorbentes CIGS, se decidió establecer ciertas variables ya optimizadas en estudios anteriores y limitar la influencia de ciertos parámetros específicos en la formación del CIAS. La caracterización óptica, estructural, morfológica y eléctrica realizada ha permitido relacionar las propiedades del compuesto con los parámetros experimentales determinados. Se ha observado así que la posición en la que el Al es evaporado dentro de la secuencia precursora determina la distribución final de este elemento en el perfil de composición de las muestras selenizadas, encontrando que la secuencia con Al como última capa precursora lleva a la formación de compuestos CIAS monofásicos con distribución homogénea de las proporciones atómicas de los metales, mientras que la evaporación del Al en una posición más interna promueve la formación de multifases con varios contenidos en Al. Por otro lado, la proporción del Cu ha aparecido como un parámetro crucial respecto a la formación de CIAS monofásicos, puesto que ésta sólo tiene lugar para un preciso ajuste de 1.2Cu/In1.5. Una menor proporción no permite una incorporación efectiva del Al en la red calcopirita, y una proporción mayor promueve la persistencia de fases secundarias de CuSe, empeorando el comportamiento de la capa. Respecto a la temperatura de selenización, se ha encontrado que la formación del CIAS comienza a 500 grados C, aunque es necesario alcanzar el rango 520-540grados C para obtener CIAS monofáisco. En relación al sustrato, la incorporación del Mo como contacto trasero entre el absorbente y el vidrio produce cambios significativos en el proceso de selenización, que depende de la reactividad y permeabilidad al Se de la capa de Mo. Una capa de Mo con una estructura predominante tipo fcc modifica ligeramente la ruta de formación del CIAS, mientras que un sustrato de Mo con una marcada estructura bcc consume el Se presente en la muestra durante la formación del MoSe2, dificultando la formación del CIAS. Este comportamiento puede ser prevenido usando una intercapa de Al entre el Mo y el absorbente, limitando el consumo de Se y promoviendo una incorporación de Al efectiva. Finalmente las películas de CIAS han sido probadas como absorbentes en heterouniones, mostrando actividad fotovoltaica con resultados prometedores.
Description
Tesis inédita de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Ciencias Físicas, Departamento de Física de Materiales, leída el 10-10-2014