crecimiento de películas semiconductoras de zns usando sales

CRECIMIENTO DE PELÍCULAS SEMICONDUCTORAS DE ZNS USANDO SALES
METÁLICAS POR BAÑO QUÍMICO PARA APLICACIONES FOTOVOLTAICAS
Bravo Amézquita C.E. (1), Santos Cruz J. (1), Castañedo Pérez R. (2), Torres Delgado G. (2),
Coronel Hernández J.J. (1), Mejía Rodríguez R. (1), Zelaya Ángel O. (3)
(1)
Universidad Autónoma de Querétaro, Facultad de Química, Materiales, Querétaro,
76010, México.
(2)
Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional,
Unidad Querétaro A.P. 1‐798, Querétaro, Qro. 76001 México.
(3)
Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del IPN, Departamento de Física, A.P.
14-740, México 07360 D.F., México.
RESUMEN
En el presente trabajo se obtuvieron películas delgadas de ZnS mediante la técnica de baño
químico con buenas características ópticas, estructurales y eléctricas para aplicarlas en celdas
solares y obtener eficiencias competitivas a nivel nacional e internacional. Para mejorar las
propiedades de las películas semiconductoras, en su obtención se sustituyó al CdS (por ZnS) que
se ha catalogado como posible material dañino para la sociedad y el medio ambiente por su
contenido de cadmio.
INTRODUCCIÓN
Actualmente, la obtención de energía exige un gasto económico significativo además de que para
obtenerla se ve dañado el medio ambiente usando energías no renovables las cuales nos llevarán
a una crisis energética a nivel mundial. Previendo esto se buscan nuevas energías renovables
como lo son las celdas solares las cuales de manera muy general hacen uso de la irradiación solar
para transformarla en energía eléctrica.
El rendimiento de celdas solares de más reciente desarrollo, supera el 30%, comparado con el
15% de muchos generadores eléctricos. Es la relación costo/beneficio lo que mantiene el uso de
paneles solares como una solución que es considerada sólo cuando resulta más barata que el uso
de otras formas de energía. Sin embargo, aquellos lugares en los cuales no hay acceso al uso de
otras energías, el uso de energía solar es una excelente alternativa.
1
EXPERIMENTAL
Durante el crecimiento de las películas delgadas de ZnS por la técnica de baño químico se
variaron: i) los reactivos, ii) solventes, iii) La temperatura del baño de 60-90 °C, iv) la razón
[S]/[Zn] en la solución, con la finalidad de obtener la mejor estequiometria del compuesto y v) el
PH de la solución. Las películas se caracterizaron ópticamente por espectroscopia Uv-Vis,
estructuralmente mediante difracción de rayos X. La resistividad eléctrica por el método de 4
puntas. Las películas delgadas semiconductoras con las mejores propiedades ópticas,
estructurales y eléctricas, se les dará tratamiento térmico en aire y nitrógeno variando la
temperatura desde un intervalo de 200-600 °C.
DISCUSIÓN DE RESULTADOS
400
600
800
1000
100
400
600
800
1000
ZnS12
100
80
80
60
60
[S]/[Zn]=12
20
20
0
100
0
100
60
60
40
40
[S]/[Zn]=9
20
T (%)
T (%)
80
80
[S]/[Zn]=3
20
ZnS9
Intensidad Ray-X (a.u.)
[S]/[Zn]=5
40
40
ZnS7
ZnS5
(111) C
ZnS3
100
0
0
ZnS1
100
80
(220)C (113)C
80
60
60
[S]/[Zn]=7
40
[S]/[Zn]=1
0
400
600
800
Fig. 1 Transmisión
óptica de películas de
ZnS a razón 1, 3 y 5.
1000
20
40
60
80
2 (grados)
20
20
0
40
400
600
800
1000
Fig. 2 Transmisión
óptica de películas de
ZnS a razón 7, 9 y 12.
Fig. 3 Rayos X obtenidos variando la razón de
[S]/ [Zn].
Se observan los difractogramas de rayos X,
para las razones [Zn]/[S] 1 y 3 se observa tres
picos que corresponden a los planos (111) C,
(220)C y (113)C con una ligera orientación
preferencial en el plano (111)C. Al
incrementarse la razón [Zn]/[S] se puede
observar que el material es más amorfo.
El rango de espesor obtenido de las películas de ZnS fue de
1.94 a 91.14 nm. El valor máximo corresponde a la película
de [S]/ [Zn] =5 como se muestra en la figura 1 y 2; el valor
mínimo de espesor corresponde a la razón de 3.
2
1.60E+015
3.9
3.8
1.20E+015
3.7
1.00E+015
ZnS, Eg (eV)
Resistividad ( cm)
1.40E+015
8.00E+014
6.00E+014
4.00E+014
3.6
3.5
3.4
2.00E+014
3.3
0.00E+000
0
2
4
6
8
10
Razón S/Zn
Fig. 4 Resistividad eléctrica de las
películas de ZnS
Se observa un valor mínimo para la
razón 5 y es aproximadamente de
2.3x108 y el valor máximo es para
la razón de 9 y es 4.4 x 109 .
12
3.2
0
2
4
6
8
10
12
Ratio [S]/[Zn]
Fig. 5 Muestra el Gap a diferentes
razones de concentración, de ZnS; los
valores están entre 3.825 a 3.28 eV,
donde el valor máximo corresponde a
la razón [Zn]/[S] de 1 y el menor a la
de 12 lo cual puede estar directamente
relacionado a la estequiometría del
ZnS.
Fig. 6 Equipo utilizado para realizar
baño químico.
3
CONCLUSIONES
En base a los resultados de esta investigación se concluye que la película que muestra las
mejores propiedades ópticas, estructurales y eléctricas corresponde a la razón de 5. El Gap del
monocristal de ZnS tiene un valor de 3.5 eV, nosotros obtuvimos un valor muy cercano con las
películas de ZnS a razones de [Zn]/[S] = 5, 7 y 9 con valores de 3.48, 3.43 y 3.41
respectivamente . La transmisión de todas las películas supera el 90%. La resistencia mínima
obtenida para estás películas es de 2.3x108
y también corresponde a la razón [Zn]/[S] = 5. Las
películas son policristalinas, éstas fueron obtenidas a una temperatura de 75 °C y por una técnica
muy económica.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Oladeji Isaiah O., Lee Chow, “Synthesis and Processing of CdS/ZnS multilayer films for solar
cell application”, Thin solid films, 16, 1-15, 2004
Nair P K and Nair M T S, “Chemically deposited ZnS thin films: application as substrate for
chemically deposited Bi2S3, CuxS and PbS thin films”, Photovoltaic Systems Group, 6, 1-5, 1991.
Mane R.S. ans Lokhande C.D., “Chemical deposition method for metal chalcogenide thin films”,
Materials Chemistry and Physics, 31, 1-4, 2001.
http://www.sciencedirect.com
http://www.explora.cl/exec/cyt/preg_cientif/ficha.e3?id=68
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