Estudio estructural y óptico de Sb2S3 nanoestructurado y su simulación en celdas solares

Abstract

En los últimos años, el semiconductor Sb2S3 ha tomado gran relevancia dentro de la comunidad científica debido a sus propiedades optoelectrónicas, como su brecha de zona prohibida (alrededor de 1.7 eV) y su gran coeficiente de absorción (ߙ > 104 cm-1), que lo hacen un material atractivo para ser utilizado como absorbedor en una celda solar. Además, el Sb2S3 no representa un riesgo tóxico, es químicamente estable y sus constituyentes son abundantes en la Tierra. Sin embargo, el principal problema en las celdas solares basadas en este material es su baja eficiencia de conversión solar, que se encuentra por debajo de 7.5%. De ahí la importancia de incrementar la relación eficiencia-costo de las celdas basadas en Sb2S3, ya que es la única vía para que dichas celdas puedan ser comercialmente competitivas. Para lograrlo, existen dos principales formas, la primera es encontrar métodos de obtención y procesamiento del material que faciliten y reduzcan el costo de fabricación de celdas basadas en Sb2S3. La segunda, es estudiar e identificar los factores limitantes que obstaculizan esta tecnología, de forma que puedan ser corregidos. En este sentido, el presente trabajo de investigación aborda la problemática desde ambas perspectivas, implementando por primera vez, el método coloidal asistido por microondas para sintetizar el material Sb2S3 con características ópticas y estructurales para su implementación como absorbedor; además de estudiar de forma teórica por medio del programa de simulación SCAPS los mecanismos y factores limitantes que desfavorecen una celda solar de arquitectura FTO/CdS/Sb2S3/Au. El método experimental Taguchi L9(43) fue usado para encontrar los parámetros óptimos para la síntesis de Sb2S3 por la ruta coloidal asistida por microondas. Del método Taguchi se obtuvo que a una concentración de 2 g de dodecilamina, a 250 °C de secado y a una temperatura de cristalización de 300 °C por 40 minutos es posible sintetizar el semiconductor Sb2S3 a escala manométrica. La caracterización estructural por difracción de rayos X mostró que se obtuvo Sb2S3 en fase cristalina, con estructura ortorrómbica y con grupo espacial Pbnm (62), además de una fase secundaria Sb, lo cual también fue confirmado por espectroscopia Raman. Mediante microscopía electrónica de barrido se lograron identificar tres distintas morfologías, esferas, barras y hexaedros irregulares, con tamaños variados que van desde 6 nm hasta 4.62 μm; adicionalmente, se encontró que dichas estructuras están formadas por nanopartículas. Posteriormente, mediante la técnica de EDS, se confirmó de forma cualitativa y semicuantitativa que las microesferas están compuestas de Sb2S3. Finalmente, la caracterización por UV-vis reveló que las muestras obtenidas del método coloidal asistido por microondas presentan características ópticas favorables para un material absorbedor, tales como un porcentaje de absorción superior al 89% de la radiación incidente, dentro del rango de 200-838 nm, y brechas de zona prohibida con valores entre 1.44 eV y 1.57 eV. Para la simulación por SCAPS de la celda solar FTO/CdS/Sb2S3/Au se partió de un caso idealizado bajo recombinación radiactiva, para definir cuál es el máximo desempeño que dicha celda puede alcanzar, revelando un máximo de eficiencia de 20.49%. Posteriormente, se estudió el impacto de los mecanismos de recombinación tanto en el material en bulto de Sb2S3 como en la intercara CdS/Sb2S3, así como de resistencias parásitas en serie y en paralelo; esto con el fin de explicar los resultados optoelectrónicos reportados experimentalmente en la literatura. La comparación de los resultados obtenidos con los reportados en la literatura, reveló que las celdas solares de película delgada basadas en Sb2S3 son afectadas por una combinación de factores tales como las resistencias en series y paralelo, las recombinación en el volumen del material Sb2S3 y recombinación de la intercara CdS/Sb2S3, limitando la eficiencia a valores cercanos a 4.42% en celdas con heterounión CdS/Sb2S3. No obstante, al mejorar la calidad del material Sb2S3 y la intercara CdS/Sb2S3 puede lograrse una eficiencia de 9.6%, con posibilidad de superar este valor y alcanzar una eficiencia de 15.87% si se eliminan las limitaciones provocadas por el efecto de las resistencias en serie y paralelo.