Conducción hopping en películas nanocristalinas del compuesto CZTSe usado como capa absorbente en celdas solares

Hopping conduction in nanocrystalline composite films of CZTSe used as solar cell absorber layer

Se presentan propiedades eléctricas y de transporte en películas nanocristalinas del compuesto cuaternario Cu₂ZnSnSe₄ (CZTS_e) por método de co-evaporación física. Las muestras fueron crecidas sobre sustratos de vidrio sodalime y variando en rango los parámetros de síntesis: masa de Cu y temperatura de sustrato. A partir de termopotencia a temperatura ambiente y de transmitancia espectral, se encontró que el material está caracterizado por conductividad tipo n y ancho de banda de energía prohibida de 1.7 eV, respectivamente. Las medias de conductividad eléctrica (región de bajas temperaturas; 90–200 K) mostraron que los procesos de conducción se realizan vía hopping de rango de variable entre estados extendidos. Los parámetros que caracterizaron éste mecanismo, energía de activación (W_hopp) y rango hopping (R_hopp), fueron obtenidos mediante teoría de percolación y modelo difusional. Se obtuvo, que para las muestras CZTSe la densidad de estados de defecto cerca del nivel de Fermi del material, N(E_F), está alrededor de 3,403x10¹⁸ cm^-3 eV^-1. Se presentó correlación entre parámetros de depósito y propiedades eléctricas. Se observó influencia de parámetros sobre formación de fases adicionales en el compuesto.

INTRODUCCIÓN

Numerosos estudios han centrado su interés en el desarrollo de celdas solares (Islam et al. 2009, Rousset et al. 2011, Nerat 2012, Wei et al. 2013) basadas en los compuestos CdTe y Cu (InGa), (S, Se2), (CIGS). Para celdas tipo CIGS y CdTe en películas delgadas, se han reportado valores en la eficiencia de conversión, esto es alrededor del 20 y 15% para celdas CIGS y CdTe respectivamente (Repins et al. 2008, Kranz et al. 2012, Nerat 2012, Kranz et al. 2013, Powalla et al. 2013). Sin embargo, la búsqueda de nuevos materiales que actúen como capa absorbente se han centrado en precursores que sean abundantes en la naturaleza y sin incidencia con el medio ambiente (Tsega et al. 2013). Dentro de las propuestas para sustituir estos materiales sin comprometer la eficiencia se reportan los compuestos cuaternarios Cu₂ZnSnSe₄ (CZTSe) y Cu₂ZnSnS₄ (CZTS) como materiales promisorios y potencialmente importantes en la fabricación de dispositivos fotovoltaicos (Juškėnas et al. 2012, Gurav et al. 2014). En la actualidad los estudios alrededor de los compuestos CZT(S,Se) han enfatizado sobre la optimización en los parámetros de síntesis y el conocimiento de sus propiedades estructurales y morfológicas (Chen et al. 2013, Mousel et al. 2013, Redinger et al. 2013), así como también su implementación en celdas solares tipo laboratorio (Sun et al. 2011, Guo et al. 2012, Todorow et al. 2013).