Procesos hopping a través del modelo difusional en materiales nanocristalinos usados para aplicaciones fotovoltaicas

Hopping processes in nanocrystalline materials used for photovoltaic applications using a diffusion model

Se presentan los modelos de hopping de rango variable (variable range hopping; VRH), vecinos cercanos (nearest neighbor hopping; NNH) y barreras de potencial presentes en las fronteras de grano; como mecanismos de transporte eléctrico predominantes en los materiales semiconductores para aplicaciones fotovoltaicas. Las medidas de conductividad a oscuras en función de temperatura fueron realizadas para región de bajas temperaturas entre 120 y 400 K con Si y compuestos Cu₃BiS₂ y Cu₂ZnSnSe₄. Siguiendo la teoría de percolación, se obtuvieron parámetros hopping y la densidad de estados cerca del nivel de Fermi, N(E_F), para todas las muestras. A partir de los planteamientos dados por Mott para VRH, se presentó el modelo difusional, que permitió establecer la relación entre la conductividad y la densidad de estados de defecto o estados localizados en el gap del material. El análisis comparativo entre modelos, evidenció, que es posible obtener mejora hasta de un orden de magnitud en valores para cada uno de los parámetros hopping que caracterizan el material.

INTRODUCCIÓN

Materiales micro, nano y policristalinos han suscitado un especial interés durante los últimos años, debido a sus potenciales aplicaciones en dispositivos optoelectrónicos, tales como, sensores transistores y celdas solares fotovoltaicas (Chen et al. 2011, Chen et al. 2012, Kang et al. 2012, Miller et al. 2012, Kim et al. 2013). Es de anotar, que el estudio y comprensión, tanto teórico como experimental, de los mecanismos de transporte de carga que gobiernan a este tipo de materiales, continúan siendo poco claros y dependen, en general, de la densidad de estados (DOS), la posición del nivel de Fermi y el campo aplicado, entre otros (Dantus et al. 2011, Shen et al. 2013).

Para mayor comprensión de los procesos involucrados en este aspecto, se han realizado numerosos trabajos que correlacionan las propiedades ópticas, eléctricas y de microestructura, con las propiedades de transporte en materiales nanocristalinos basados en películas delgadas, entre los que se encuentran: μc-Si:H, CuInTe₂, CdS_1−xSe_x, Cu₃BiS₂ (Dussan et al. 2008, Mesa et al. 2009, Yadav et al. 2010). Se ha reportado que para la región de bajas temperaturas, bien abajo de la temperatura ambiente (T < 300 K), la conductividad a oscuras no exhibe una dependencia térmicamente activada con la temperatura (Arredondo et al. 2010, Huang et al. 2013), la cual es un caso común para la región de altas temperaturas. Uno de los procesos que puede ser considerado para el transporte de portadores en esta región, es el de tunelamiento desde los estados ocupados a los estados desocupados involucrando uno o más fotones; este proceso es denominado “hopping” (Dalvi et al. 2012, Eginligil et al. 2012).