| dc.description.abstract | Entre los mayores desafíos que tiene que afrontar la humanidad en los próximos años están el calentamiento global, la creciente demanda energética y el agotamiento de las fuentes de energía fósiles. Para combatirlos, existen como alternativa las energías renovables, siendo la energía solar fotovoltaica una de ellas, además de la única de este grupo que proporciona energía eléctrica de forma directa a través de la célula solar por acción de la radiación solar.
Entre todos los tipos de células fotovoltaicas que existen, destacan las de lámina delgada, que utilizan la mínima cantidad de material, reduciendo los costes de la célula. El mayor inconveniente de este tipo de células que están implantadas en el mercado es su composición en materiales costosos, poco abundantes y algunos de ellos muy tóxicos como el Cd. Por todo esto, las investigaciones en los últimos años se han centrado en la búsqueda de materiales que estén compuestos por elementos baratos, no tóxicos y abundantes, destacando en este grupo los sulfuros del sistema estaño, cobre y zinc, que son objetivo de estudio de este trabajo de investigación.
Los métodos de síntesis de estos sulfuros fueron la co-evaporación y el calentamiento o recocido en atmósferas de argón y azufre sobre sustratos de vidrio desnudo y recubierto con Mo. En primer lugar se optimizó las condiciones de crecimiento como la temperatura de evaporación de los metales, la cantidad de azufre medida por su presión de vapor (Ps), la temperatura de sustrato (Tsus) o la temperatura de calentamiento de los tratamientos térmicos. Una vez ajustados estos parámetros de crecimiento, se procedió a la síntesis de sulfuros binarios de Sn-S, posteriormente a la obtención de sulfuros ternarios de Cu-Sn y para finalizar con el estudio de sulfuros cuaternarios (CZTS).
Los resultados obtenidos para los sulfuros binarios de Sn arrojaron la síntesis de dos fases como SnS2 y SnS, con propiedades muy diferentes y obtenidas a diferentes condiciones de crecimiento. Para la fase SnS2 se observó que las mejores condiciones fueron presiones parciales de azufre Ps ≥ 6*10-3Pa, temperaturas de sustrato Tsus≤ 250°C y temperaturas de evaporación TSn= 1000-1100˚C. Su energía de gap ≥2.5 eV y resistividad eléctrica >109 Ωcm permiten su uso como material ventana en células
solares fotovoltaicas. La monofase SnS se preparó a Ps =2*10-3 Pa, TSn= 1230-1250˚C y temperaturas del sustrato de vidrio Tsus ≥ 350°C. Su energía del gap de 1.22 eV, su alto coeficiente de absorción > 104 cm-1 y su resistividad eléctrica de 102-103 Ωcm mostraron su posible uso como capa absorbente en células solares.
En lo que respecta a los sulfuros ternarios de Cu-Sn, se obtuvieron tres estequiometrías diferentes: Cu2SnS3, Cu3SnS4 y Cu4SnS4. Las mejores condiciones de crecimiento para la fase Cu2SnS3 fueron una Ps =10*10-3 Pa, TSn= 1100˚C, TCu= 1130-1140˚C y Tsus≥350˚C, La estequiometría Cu3SnS4 se obtuvo a Tsus=450˚C, Ps =10*10-3 Pa, TSn= 1100˚C y TCu= 1170˚C y alternativamente después del calentamiento en azufre a 500˚C durante 1 h de muestras con alto contenido en Cu. Mientras que la fase Cu4SnS4 se sintetizó por calentamiento en azufre a 500˚C de la mezcla de fases Cu2SnS3 y CuS. Sus energías de banda prohibida comprendidas entre 1.0 eV y 1.45 eV y sus resistividades eléctricas de 10-3-10-2 Ωcm, permitirían el posible uso de estos materiales como capa absorbente en una célula fotovoltaica de lámina delgada.
Por la parte del sulfuro cuaternario, se sintetizó el compuesto Cu2ZnSnS4 (CZTS) con estructura kesterita, mediante calentamiento en azufre a 500˚C durante 1h de láminas de ZnS y Cu2SnS3 evaporadas secuencialmente sobre sustratos de vidrio, corroborándose la formación por el cambio del valor de la energía de gap desde 1.0 eV (Cu2SnS3) hasta 1.6 eV (CZTS) tras el calentamiento. El valor de energía de banda prohibida, unido al de resistividad eléctrica ~ 3 cm, mostrarían el potencial uso de este compuesto como absorbente fotovoltaico.
Para finalizar, se observó que la introducción de una capa de Mo sobre el sustrato de vidrio no alteraba los datos de composición atómica obtenidos, pero sí producía cambios en la estructura de las láminas, observándose por termografía infrarroja, un incremento de la temperatura superficial del vidrio recubierto con Mo con respecto a la de la temperatura del vidrio desnudo. Esto, favoreció una mayor cristalinidad de las muestras crecidas sobre Mo y la presencia mayoritaria de la fase SnS en el caso de las láminas Sn-S y la formación de la fase Cu3SnS4 en láminas ricas en Cu.
En definitiva, un buen control y ajuste de los parámetros de evaporación y calentamiento, permitió la obtención de diferentes compuestos con propiedades
estructurales, químicas, morfológicas, ópticas y eléctricas muy variadas entre unos y otros, por lo que este proceso de síntesis se mostró como un método muy versátil para la preparación de materiales de muy diferentes características | es_ES |
