Síntesis química de capas buffer para nuevas tecnologías de calcogenuros con aplicaciones fotovoltaicas

Resumen

En éste trabajo de Tesis se presentan los resultados más relevantes obtenidos en el desarrollo de capas buffer de CdS y de capas buffer libres de cadmio (sulfuro de indio y sulfuro de zinc) preparadas mediante la técnica de baño químico, más conocida por sus siglas en inglés CBD (Chemical Bath Deposition). La finalidad de estas capas buffer es el procesamiento de celdas solares de bajo coste basadas en calcogenuros de cobre, fundamentalmente CZTSSe. La producción de celdas solares de bajo coste y alta eficiencia mediante una tecnología respetuosa con el medioambiente, es uno de los mayores retos científicos en el campo de las energías renovables. La obtención de dispositivos que cumplan estas condiciones ha incentivado el desarrollo de nuevos materiales. Las celdas solares de CIGS ostentan el récord absoluto de eficiencia con valores cercanos al 22%. Sin embargo, este compuesto presenta diversas limitaciones que detienen su desarrollo a gran escala, en particular la escasez de dos de sus elementos constituyentes: el In y el Ga. Estas circunstancias han motivado a la comunidad científica internacional a buscar propuestas de nuevos compuestos. En esta búsqueda se ha destacado especialmente una familia de compuestos llamados genéricamente Kesterita, al ser el nombre de su estructura cristalina. El material por excelencia utilizado como capa buffer en la kesterita y en general en todas las tecnologías de celdas solares de segunda generación es el CdS depositado por baño químico (CBD). Pero el elemento Cd, se considera como un compuesto no adecuado para la producción masiva de módulos fotovoltaicos. Es por ello que usar capas buffer libres de Cd es un aspecto que está siendo investigado alrededor del mundo. Sin embargo, no se ha encontrado un substituto que permita obtener las altas eficiencias que se han logrado con el CdS. El uso de las capas buffer libres de Cd por lo general va acompañado de pasos de activación, tales como un recocido térmico con la combinación del llamado "light soaking", lo cual al final, incrementa el coste de producción. El objetivo fundamental de esta Tesis se centra en el estudio sistemático de películas delgadas como capas buffer (CdS y materiales libres de Cd) para tecnologías fotovoltaicas basadas en kesteritas. Se hace especial hincapié en la optimización de los parámetros de crecimiento que influyen en las propiedades de las celdas solares. Las celdas solares fueron procesadas mediante la realización de diversos estudios de las propiedades ópticas, estructurales, morfológicas y de composición química de las películas depositadas, cuyos resultados se encuentran publicados en diferentes revistas científicas arbitradas. Los aspectos más destacados e innovadores en este trabajo son: estudiar el dopado con Cu del CdS para reducir su espesor, estudiar la influencia del uso de diversas sales precursoras de Cd, el estudio de tratamientos térmicos al CdS para sus propiedades físicas y con ello mejorar las características de los dispositivos procesados y finalmente el estudio de multicapas (incluidas las capas buffer libres de Cd) para entender el comportamiento de estas capas con el material absorbedor.