Efecto de la concentración de Ga sobre las propiedades electrónicas del CuIn1−XGaXSe2

Ga Concentration Effect on the CuIn1-xGaxSe2 Electronic Properties

Se reportan cálculos de propiedades electrónicas del compuesto CuIn₁−_xGa_xSe₂ (x = 0,0, 0,2, 0,4, 0,6, 0,8, 1,0), usando el método Tight-Binding (TB) y Virtual Crystal Approximation (VCA). Se considera el caso ideal y con las distorsiones tetragonal (η) y aniónica (μ). En ambos casos, el CuIn₁−_xGa_xSe₂ es un semiconductor directo en Γ, para todas las concentraciones. Se encontró que el Crystal Field Splitting (CFS) en el punto Γ depende principalmente de la distorsión tetragonal. El CFS es positivo para x , 0,32. Este comportamiento se debe a que cuando aumenta x, la celda unitaria se contrae, acercando el pseudoátomo (In,Ga) al átomo de Se.

1. INTRODUCCIÓN

Entre las diferentes fuentes de energía, la solar es una buena elección frente a los combustibles fósiles, ya que no contamina el ambiente y se puede utilizar durante gran parte del año. Para aprovechar esta o cualquier otra fuente de energía se necesita del generador adecuado. Los generadores fotovoltáicos son una alternativa de producción de energía eléctrica; con estos se puede complementar la energía generada, por ejemplo, por hidroeléctricas, que están siendo limitadas por la influencia del clima, de las lluvias, y últimamente afectadas por fenómenos de cambio climático; también se puede complementar la energía de termoeléctricas, que consumen combustible fósil, agotando las reservas y, además, contaminan el medioambiente. Con el compuesto ternario CuInSe2 (CIS) en estructura calcopirita (ver figura 1) se han construido celdas solares fotovoltáicas de bajo costo y eficiencias cercanas al 16% [1]. Aleando los semiconduntores CuInSe₂ (de gap directo 1,04 eV) y CuGaSe₂ (de gap directo 1.70 eV) en estructura policristalina se pueden construir celdas con eficiencias cercanas al 19% [2-7]; esta aleación, conocida como CuIn1−_xGa_xSe₂ (CIGS), conforma la capa absorbente de la celda.

Los resultados experimentales [8] muestran que el gap de energías prohibidas E_g de esta aleación varía cuadráticamente con la concentraciónxde Ga. El parámetro de curvatura (bowing parameter) experimental es b_exp = 0,107 eV. En un reporte previo [9] hemos calculado los parámetros Tight-Binding (TB) que reproducen esta dependencia cuadrática y la estructura electrónica para la concentración x=0,6.

En este trabajo calculamos la estructura electrónica y la variación del Crystal Field Splitting (CFS) principal del CuIn_1−xGa_xSe₂ para las concentraciones de Ga, x=0,0; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 y 1,0; usando elmétodo TB y Virtual Crystal Approximation (VCA).