Alternative substrates for sustainable and earth-abundant thin film photovoltaics

Resumen

Esta tesis estudia el desarrollo de células solares de Cu2ZnSn(Sx,Se1-x)4 (kesterita) sobre sustratos de poliimida, cerámica y vidrio recubierto con SnO2:F (SLG/ITO). Estos sustratos presentan una serie de ventajas frente al estándar SLG/Mo como su compatibilidad con procesos de fabricación rollo a rollo (poliimida), con fotovoltaica integrada en edificios (todos) y/o la posibilidad de aplicaciones y funcionalidades avanzadas (poliimida y SLG/FTO). Sin embargo, también poseen características que dificultan la fabricación de células solares de kesterita como la falta de elementos alcalinos (todos), su baja resistencia térmica (poliimida), su alta rugosidad (cerámica) o su conductividad tipo n (SLG/FTO). Este trabajo se centra en la implementación de estrategias para la fabricación de células solares de kesterita de alta eficiencia atendiendo a las características de cada sustrato. En el caso de la poliimida, se utiliza una combinación de dopaje alcalino y procesos de recocido a baja temperatura la cual permite obtener un dispositivo Cu2ZnSnSe4 record con una eficiencia del 4.9% combinando dopaje con NaF y Ge y una temperatura de 480ᵒC. Los sustratos cerámicos se recubren con un esmalte vítreo que contiene una cantidad controlada de Na2O en su composición y que actúa como reductor de la rugosidad superficial, fuente de Na y barrera para impurezas. A pesar de que altas concentraciones de Na2O provocan defectos superficiales, los sustratos cerámicos esmaltados presentan un comportamiento muy similar al vidrio con un dispositivo Cu2ZnSnSe4 record de 7.5% de eficiencia. En cuanto a los sustratos SLG/FTO, se estudia el depósito de nanocapas de óxidos de metales de transición (TMOs) y de Mo:Na para mejorar la interficie trasera kesterita-p/FTO-n de los dispositivos. Los TMOs inducen una fuerte barrera eléctrica mientras el Mo:Na se muestra fundamental para la fabricación de dispositivos eficientes. Sin embargo, el uso conjunto de Mo:Na y TiO2 o V2O5 amplifica los efectos beneficiosos del Mo:Na lo que permite obtener un dispositivo Cu2ZnSn(Sx,Se1-x)4 record con una eficiencia de 7.9%. Estas son las eficiencias más altas reportadas para células solares de kesterita sobre poliimida, cerámica y SLG/FTO y demuestran el potencial de estos sustratos para el desarrollo de una fotovoltaica sostenible basada en kesterita.