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Laboratorio de Innovacin Fotovoltaica y Caracterizacin de celdas
Solares LIFYCS Proyecto Laboratorio CONACYT 123122
Seccin E:
Desarrollo de materiales para celdas solares- CuInSe2
Grupo: Arturo Fernndez Madrigal IER-UNAM
Las actividades a realizar en el primer ao (2011) se pueden resumir en lo
siguiente:
Obtencin de CuInSe2 y CdS por mtodos fsicos y qumicos; preparacin por
electro-depsito y tratamiento trmico de materiales absorbedores Cu(Ga,In)Se2
(CGIS) Adaptacin del sistema de Sputtering para el depsito de las pelculas de
Mo sobre substratos de vidrio soda-lima, que ser utilizadas como sustratos.
Puesta en marcha el equipo de selenizacin, con el cual se podr realizar la
recristalizacin del compuesto de CGIS.
Reporte:
La estructura fotovoltaica ms utilizada para construir una celda de CIGS, se
muestra en la figura 1, donde tambin se muestra espesores tpicos.
Figura. 1.- Estructura comn de una celda solar empleando CIGS como
absorbedor.
Bajo esta configuracin, se reportaran los resultados ms importantes encontrados
durante la experimentacin en la elaboracin de cada una de las pelculas que
constituye la estructura propuesta. A continuacin se describe algnos de los
resultados ms importantes obtenidos en esta etapa.
Para crear la pelcula del contacto inferior y superior se utiliz un sistema de
pulverizacin catdica con fuente de campo magntico, el equipo utilizado es el
Balzer BAE 250. El ctodo est diseado para soportar un blanco circular de 2.54
cm de radio. La distribucin de las lneas de flujo magntico provocan que el
mayor desgaste del blanco ocurra a 1.65 cm de radio. El sistema ofrece la
posibilidad de variar la distancia del blanco al substrato, la presin de depsito, la
presin de vaco y la corriente de depsito.
Ante una prueba de depsito de Mo con una distancia de 6.5 cm del blanco al
substrato, una presin de depsito de 6.3x 10-3 mbar y corriente de 100 mA, se
identifica una variacin en el espesor de la pelcula de 5 % en la superficie que
se encuentra justamente abajo del rea del blanco. Existe tambin depsito de Mo
en un rea mayor a la del blanco debido a que el tomo arrancado por el ion de
Argn sufre colisiones con otros tomos durante el trayecto hacia el substrato que
lo desvan hacia una rea mayor respecto a la del blanco, sin embargo, a mayor
rea el decremento del espesor es muy significativo. En la figura 1, se muestra un
esquema del sistema de pulverizacin catdica.
Figura 3, Esquema del sistema de sistema de pulverizacin catdica, mostrando la
zona de mayor desgaste del blanco y la disminucin del espesor de la pelcula.
Parmetros de depsito del contacto inferior de Mo.
La presin de vaco se relaciona con el nivel de limpieza que tiene la cmara antes
de suministrar Argn, el valor de esta presin es muy importante para tener una
atmsfera inerte al momento de realizar la pulverizacin. El tiempo necesario para
alcanzar determinado valor de presin est relacionado con el volumen de
cmara, la capacidad de la bomba y del adecuado sellado del sistema.
Una forma de comparar la desviacin provocada por imperfecciones o defectos en
la estructura de la pelcula depositada respecto a la pelcula estndar, es mediante
la comparacin del parmetro de red. La estructura del Mo es del tipo cbica
centrada en cuerpo con parmetro de red estndar ao =3.1472 , el parmetro de
red de la pelcula depositada se calcul a partir de la distancia entre planos para la
direccin (110) obtenida mediante el anlisis de rayos X, los resultados se
muestran en la tabla 1 en funcin de la presin de vaco.
Tabla 1. Efectos de la presin de vaco de la cmara sobre la desviacin de los
parmetros de red para el depsito de Mo, corresponde a los difractogramas b), c)
y d) de la figura 4.
Presin de vaco
(mbar)
Parmetro de red
calculado con direccin
(110) ()
Diferencia del parmetro de
red calculado respecto al
estndar (%)
2.2 x10-5 3.1988 1.6%
1.4 x 10-5 3.1592 0.43%
1.0 x 10-5 3.1518 0.13%
Potencia
El valor de la potencia aplicada al sistema est determinado por el voltaje y la
corriente entre ctodo y nodo, en este equipo se tiene la posibilidad de variar la
corriente en el rango de 0-150 mA. El tiempo de depsito es la variable a utilizar
para obtener el espesor de pelcula deseado, la razn de depsito para el rango
de 35 a 120 mA se muestra en la tabla 1.
Tabla 1. Efectos de la corriente en el crecimiento y resistividad de la pelcula ante
distancia nodo-ctodo y presin de depsito fija.
Muestra Corriente
(mA)
Distancia
ctodo-nodo
(cm)
Presin de
depsito
(mbar)
Crecimiento
de pelcula
(nm/min)
Resistividad
.cm
SP72 35 6.5 5.4 x10-3 7 4.4 x 10-4
SP73 60 6.5 5.4 x10-3 12 2.6 x 10-4
SP74 100 6.5 5.4 x10-3 22 1.1 x 10-4
SP78 120 6.5 5.4 x10-3 29 0.9 x 10-4
Anlisis morfolgico de la pelcula depositada.
La morfologa de la pelcula obtenida por microscopio electrnico de barrido (SEM
por sus siglas en ingls) depositada a 120 mA, 4.5 cm y 4 x 10-3 mbar, en la figura
6a y 6b se identifica que la pelcula ha cristalizado con una microestructura
formando granos columnares compactos perpendiculares a la superficie lo que
explica la baja resistividad, estos granos se aproximan como circulares con 100
nm de dimetro.
(a) (b)
(c)
Figura 6. Imgenes de SEM de la pelcula depositada a 120 mA, 4.5 cm y 4 x 10-
3mbar. a) morfologa superficial, b), se muestran los granos columnares, c) vista
de perfil
Construccin de cmara de recocido en atmosfera de selenio.
El recocido de una celda elaborada por electrodepsito es el proceso mediante el
cual se recristaliza y se incrementa el tamao de grano del absorbedor CIGS. Este
proceso es comn realizarlo utilizando atmsfera de Selenio, se puede usar como
precursor el H2Se (cido selenoso) o Selenio elemental. Debido a que el H2Se
altamente txico, la mayora de los grupos de investigacin que requieren de este
proceso utilizan evaporacin del Selenio en su estado elemental. En la siguiente
figura se muestra las principales caractersticas de la cmara que sera empleada
para el recocido de las pelculas de CIGS y la cual es de forma circular con 18 cm
de dimetro y 40 cm de altura, incluyendo tapas y base
Lmpara calefactora
PortaceldasEvaporador de Selenio
Conexiones para vaco y
medir presin.
Conexiones para
evacuar la cmara
Conexiones para
sensores
Figura. Las principales caractersticas de la cmara que es de forma circular con
18 cm de dimetro y 40 cm de altura, incluyendo tapas y base
Productos de la Etapa:
Como principales productos de la primera etapa se cuenta con las presentaciones
realizadas en el 1er. Taller del proyecto LIFYCS en Marzo 2011. Dichas
presentacin tuvo como finalidad el mostrar las caractersticas y alcances del
equipo de anlisis por plasma inducido (ICP por sus siglas en ingls) a posibles
usuarios asociados al proyecto LIFYCS, la portada de la presentacin fue la
siguiente:
Taller sobre anlisis de composicin qumica por plasma inducido ICP-OES 1.- Principios y la Instrumentacin 2.- Parmetros instrumentales 3.- Mtodos para el Desarrollo de Estrategias
4.- Seleccin de longitudes de onda 5.- Optimizacion de parmetros 6.- Interferencia de espectros 7.- Sesin de prcticas.
Esquema del sistema ICP-OES
2do ao (2012)
Elaboracin de pelculas de Cu(In,Ga)Se2 mediante la tcnica del electrodeposito,
utilizando los diversos baos electrolticos propuestos para su formacin, con los
diversos aditivos para el mejoramiento del tamao de grano. Crecimiento de
monocapas y bi-capas de CdS por las tcnicas del depsito qumico (CBD), y
caracterizacin de sus propiedades pticas, morfolgicas y estructurales.
Las actividades durante este segundo ao continuaron
Pelculas de molibdeno Se ha logrado establecer una metodologa para el depsito de pelculas de Mo empelando un sistema de pulverizacin catdica de corriente directa con un blanco de Mo de 0.3 mm de espesor. La pelcula de Mo se emplear como contacto inferior. La mejor resistividad que se ha obtenido es de 7x10-5 cm. las pelculas se han depositado variando los siguientes parmetros: presin de vaco, corriente de depsito, presin de depsito, distancia de ctodo al substrato. Para el proceso de depsito de las pelculas de Mo se estn utilizando los siguientes parmetros. Las pelculas de Mo se han caracterizado mediante XRD, SEM, reluctancia especular y resistividad por mtodo de 4 puntas. En la figura 3, se muestra de reluctancia.
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200
0
20
40
60
80
100
Re
fle
cta
ncia
esp
ecu
lar
(%)
Longitud de onda (nm)
Datos de depsito
100 mA, 5.4x10-3 mbar, 6.5 cm.
100 mA, 5.4 x10-3
mbar, 4.5 cm
120 mA, 4.0 x10-3
mbar, 5.5 cm
Figura 3. Caractersticas de la reflectancia especular Nivel de presin de vaco de al menos 1.4 x10-5 mbar. Altura ctodo-substrato de 7.2 cm Corriente de depsito de 75 mA.
Pelculas de CIGS
Se ha implementado una metodologa para co-electrodepositar pelculas del
absorbedor CIGS en una celda electroqumica que se ha diseado con electrodos
horizontales, con esta celda se obtienen pelculas con composicin ms
homognea y morfologa ms uniforme respecto a las pelculas que se obtienen
con la celda electroqumica de electrodos verticales. El co-electrodeposito se ha
realizado a partir de un bao que contiene iones de Cu, Ga, In y Se. Las pelculas
de CIGS tal como se han depositado se han caracterizado mediante XRD, SEM,
ICP-OES y EDS. En la siguiente, se muestra una imagen de SEM y de difraccin
de rayos X de la pelcula tal como ha sido depositada.
20 30 40 50 60 70 80
0
50
100
PDF#35-1102 CuIn0,7
Ga0,3
Se2
PDF#35-1120 Mo
Inte
nsid
ad
(%
)
2deg)
0
100
200
300
400
500
Inte
nsid
ad
(u
. a
.)
(11
6)
(22
0)
(11
2)
(10
1)
(11
0)
(a) (b)
Figura . Caractersticas de las pelculas de CIGS, (a) morfologa superficial, y (b)
difraccin de rayos X con haz rasante de 1.5.
Proceso de selenizacin
Se ha terminado el diseo y construccin de un sistema para realizar el proceso
de recocido de las pelculas de CIGS que forman parte de la estructura
vidrio/Mo/CIGS. Se ha realizado el proceso de recocido sin utilizar evaporacin de
Se y utilizando evaporacin de Se. El proceso de recocido se ha realizado
variando la temperatura, presin y tiempo de recocido, as como la razn de
incremento y decremento de la temperatura. Se ha determinado que para
mantener la composicin de Se en la pelcula se necesita su evaporacin en cada
proceso de recocido. Se estn utilizando 3 mg de Se en polvo por cada proceso
de selenizacin. Las pelculas de CIGS que se han sometido al proceso de
recocido se han caracterizado mediante XRD, SEM y anlisis de composicin por
ICP-OES. En la siguiente figura, se muestra un esquema del sistema de
selenizacin y una imagen de la morfologa transversal de la pelcula de CIGS que
se ha sometido al proceso.
1
2
3
6
5
4
78
10
9
11
12
14
13
17
16
Mo
CIGS
Figura (a) sistema de selenizacin y (b) morfologa transversal de la estructura
vidrio/Mo/CIGS
Pelculas de ZnO:Al e In2O3:Sn
Se ha empleado un sistema de pulverizacin catdica de radiofrecuencia con un
blanco de ZnO/Al2O3 con 90/10 de porcentaje en peso para depositar pelculas de
ZnO:Al que se utilizarn como contacto transparente. Se ha analizado el efecto de
variar la potencia, presin de vaco, presin de depsito, y distancia del ctodo al
substrato en las caractersticas de la pelcula para obtener aquellas condiciones
donde las pelculas tengan las mejores caractersticas respecto a estructura,
transmitancia y resistividad. Las pelculas de han caracterizado mediante XRD,
Efecto Hall y Van der Pauw y se han realizado mediciones de transmitancia y
reflectancia. El menor valor de resistividad medido ha sido de 7.5 x 10-4 cm, las
mediciones de transmitancia arrojan valores promedio de hasta 92% con pelculas
300 nm de espesor en el rango de 450 a 1100 nm. En la figura 6 se muestran la
evolucin de la estructura al variar la potencia durante la pulverizacin catdica,
en la misma figura se muestran los valores de resistividad, movilidad y densidad
de portadores ante la misma variacin.
20 30 40 50 60 70 800
1000
2000
3000
4000
5000
20 30 40 50 60 70 800
50
100
Pot=240 W
Pot=160 W
Pot=280 W
Pot=200 W
Inte
nsi
dad
(u
. a)
(11
2)
(10
3)
(11
0)
(10
2)
(10
1)
(00
2)
PDF#36-1451
Inte
nsi
dad
(u
. a)
2 (grados)
(10
0)
150 200 250 300
0
3
6
9
n
Potencia (W)
Resi
stiv
idad
,
(x
10
-3
cm
)
10
20
30
40
50
Den
sid
ad
de p
ort
ad
ore
s, n
(x
10
19 c
m-3
)
Mo
vil
idad
,
cm
2/V
s)
3
6
9
12
15
Figura Caractersticas de las pelculas de ZnO:Al en funcin de la potencia de
depsito (a) evolucin de la estructura, y (b) resistividad, movilidad y densidad de
portadores.
300 400 500 600 700 800 900 1000
60
80
100
Tra
nsm
ita
ncia
(%
)
Longitud de onda (nm)
1,9 x10-5 mbar
4.0 x10-5 mbar
8.0 x 10-5 mbar
2.2 x 10-4
mbar
10 20 30 40 50 60 70
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Inte
nsid
ad (
u.a
)
2 (grados)
ITO, menor tranmitancia
ITO, mayor tranmitancia
PDF 01-089-4598 In1,88
Sn0,12
O3
Figura. Caractersticas de las pelculas de In2O3:Sn, (a) transmitancia en funcin
de la presin de vaco, y (b) estructura para la zona de menor y mayor
transmitancia.
Pelculas de CdS
Las pelculas de CdS se utilizarn como material tipo n para formar la unin con el
material absorbedor. Se han formado pelculas mediante bao qumico utilizando
los conocimientos generadores por el IER-UNAM en este tipo de pelculas. Se han
estado creciendo pelculas con la formulacin de bao qumico que se muestra en
la tabla 1. La temperatura del bao fue de 80 C y en una hora se obtuvo un
espesor de 100 nm.
Tabla 1. Formulacin del bao qumico para crecer pelculas de CdS
Reactivo Concentracin Cantidad
Nitrato de Cadmio 1M 1.25 ml
Citrato de Sodio 1M 7.25 ml
Amoniaco Concentrado 1 ml
Thiourea 1M 2.5 ml
H2O destilada 3.75 ml
Las pelculas se han caracterizado por transmitancia y fotorespuensta. En la
figura 8 se muestra la fotorespuesta de estas pelculas ante una intensidad de
1000W/m2 que se obtiene de una lmpara de halgeno. En la siguiente tambin se
muestra la transmitancia de la estructura CdS/i-ZnO/ZnO:Al que se compara con
el espectro solar normalizado. Los espesores de las pelculas son 100, 100, y 300
nm respectivamente.
0 200 400 600 800 1000
1E-11
1E-10
1E-9
1E-8
1E-7
1E-6
1E-5
1E-4
Co
rrie
nte
(A
)
Tiempo (seg)
Prueba a 50 V
Prueba a 75 V
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200
0
20
40
60
80
100
CdS/ZnO/ZnO:Al_a
CdS/ZnO/ZnO:Al_b
Irradiancia
Frecuencia (nm)
Tra
nsm
itan
cia
(%
)
20
40
60
80
100
Irrad
ian
cia
no
rmaliz
ad
a (%
)
(a) (b)
Figura Caractersticas de las pelculas de CdS, (a) fotorespuesta, y (b)
transmitancia de la estructura CdS/i-ZnO/ZnO:Al.
3er ao (2013 a la fecha)
Descripcin de la Actividad:
Estudio y determinacin de los parmetros de la estructura fotovoltaica como
funcin del tamao de grano del absorbedor CGIS. Dicho estudio consistir en el
estudio de las caractersticas de la unin CGIS/CdS, mediante microscopia de
barrido y de transmisin, as como estudios de composicin morfologa.
Durante este ltimo periodo se ha trabajo intensamente sobre el tratamiento de las
pelculas de CIGS, mediante la cmara de selenizacion. El propsito fundamental
que se requiere es el de lograr la completa formacin de granos con tamaos de
aproximadamente 1 a 1.5 m. Con los resultados hasta ahora alcanzados se ha
logrado solo la parcial formacin de dichos granos, es decir que de obtener una
morfologa compacta y granular con microfracturas, despus del tratamiento se
logra el crecimiento de granos mayores de aproximadamente 1 m de altura pero
rodeado de material granular pero no completamente bien desarrollado, como se
muestra en siguiente microfotografa.
(a) (b)
Figura. Microfotografa de pelculas CIGS, elaboradas por electrodepsito,
tratadas trmicamente en atmosfera de selenio, (a) vista lateral, (b) vista de frente.
El sustrato es vidrio/Mo.
Se continua trabajando en la preparacin y crecimiento de dichas pelculas,
modificando las condiciones de selenizacion, con el objetivo de logran una mayor
homogenizacin de los granos de dicha pelcula. Para ello se propone el cambio
de bomba de vacio, por una que permita reducir a presiones inferiores a 10-4 Torr ,
con el fin de reducir la posibilidad de formacin de posibles compuestos que
impidan el crecimiento de granos de mayor tamao.
Con relacin a el crecimiento de las pelculas de Mo, CdS, y ZnO:Al estas han sido
logradas con adecuadas caractersticas , similares a las reportadas por otros
grupos, y se encuentra en espera de obtener una pelcula de CIGS adecuada para
construir y estudiar la hetero-union.
Los diversos resultados obtenidos en el desarrollo de este trabajo quedan
resumidos en la presentacin de diversos trabajos presentados en diversos
congresos, los cuales a continuacin se enlistan:
B. L. Lara and A. M. Fernandez Cu(In,Ga)Se2 characterization using different
annealing conditions 4th international congress of alternative energies and 1st
international meeting of the IPN energy network. Mexico City, October 2013. (oral)
B. L. Lara and A. M. Fernandez Molybdenum nitride prepared by DC Magnetron
sputtering without external nitrogen source V International Conference on
Surfaces, Materials and Vacuum Tuxtla Gutierrez, Chiapas September 24-28,
2012 (poster)
B. L. Lara and A. M. Fernandez Influence of deposition parameters in
Molybdenum thin film deposition by DC magnetron Sputtering V International
Conference on Surfaces, Materials and Vacuum Tuxtla Gutierrez, Chiapas
September 24-28, 2012 (oral
Trabajos presentados en los Talleres LIFYCS
Mtodos de depsito y anlisis de materiales y celdas solares, abril 2013.
Determinacin de la composicin de pelculas de CIGS por ICP, noviembre 2013
Caracterizacin y anlisis por SEM-EDS de pelculas de CIGS por la tcnica de
electrodepsito, noviembre 2013
Depsito de pelculas de ZnO:Al preparacin y caracterizacin, noviembre 2013
Asi mismo se ha preparado un manuscrito para su posible publicacin a la Revista
Journal of Materials Science: Materials in Electronics.
Desarrollo de celdas solares DSSC
Grupo: Antonio Jimnez - IER
Primer ao (2011):
Optimizacin en los procesos de preparacin de celdas Graetzel con TiO2 nanoestructurado de alta conductividad elctrica; continuacin de preparacin y caracterizacin de celdas solares del tipo Conductor Tranparente/ TiO2 nanoestructurado/ Colorante de rutenio/ electrolito/Conductor transparente.
Durante esta etapa se continu trabajando en el desarrollo de pelculas nanoestructuradas, compactas y mesoporosas de TiO2 preparadas por los procesos de depsito qumico sol-gel y proceso hidrotermal. Se mejor el proceso de sntesis en el proceso hidrotermal cambiando algunos catalizadores de la hidrlisis del isopropxido de titanio. Se disminuy ligeramente el tamao de nanopartcula de TiO2 (5-10 nm) y se optimizaron los procesos de tratamiento trmico, a partir de los cual se obtuvieron pelculas nanoestructuradas y mesoporosas de TiO2 de alta fotosensivilidad (102-103) y fotoconductividad elctrica. Asimismo se optimiz el proceso de tincin de la capa de TiO2 con el colorante de Rutenio N-719. Nuevamente se realiz el ensamblado de la celda solar en la configuracin Conductor Tranparente/ TiO2 nanoestructurado/ Colorante de rutenio/ electrolito/Conductor transparente, por medio de lo cual fue posible alcanzar una la eficiencia de conversin de la celda h = 1.9 %. Segundo ao (2012) Desarrollo de prototipos de Celdas solares de tipo Conductor Tranparente/ TiO2 nanoestructurado/Colorante de rutenio/ electrolito/Conductor transparente. Durante esta etapa se trabaj en la optimizacin del ensamblado de la celda solar con el propsito de evitar fugas del electrolito (I-/I3
-) en estado lquido, esto es, se probaron varios materiales polimricos como espaciador entre los electrodos de la celda solar, se probaron varias tcnicas de sellado, se trabaj en el sistema de inyeccin del electrolito en la celda y se continu trabajando en la optimizacin de las capas compacta, mesoporosa y nanoestructurada de TiO2 alcanzando mayores fotosensivilidades (103-104) y fotoconductividades. Con estas mejoras, nuevamente se realiz el ensamblado de la celda solar en la configuracin Conductor Tranparente/ TiO2 nanoestructurado/ Colorante de rutenio/ electrolito/Conductor transparente, por medio de lo cual fue posible alcanzar una la eficiencia de conversin de la celda h = 3 %. 3r ao (2013- al a fecha): Prototipo de celdas solares Graetzel
Prototipo de la celda solar en la configuracin Conductor Tranparente/ TiO2 nanoestructurado/ Colorante de rutenio/ electrolito/Conductor transparente con una eficiencia de conversin del la radiacin en energa h = 3 %.
Fotografa de una celda solar tipo Graetzel (TiO2) con 3% de eficiencia
Desarrollo de celdas solares de polmeros y materiales hibridos Grupo: Hailin Zhao Hu - IER Primer ao- 2011 Desarrollo de heteroestructuras basadas en politiofenos: CdS/P3OT, CdS/P3HT,
Bi2S3/P3OT. Estudios de mecanismos de transporte y recombinacin mediante
mediciones de fotovoltaje y fotocorriente transitorios.
Se establecieron tres tcnicas para el estudio de mecanismo de recombinacin y
transporte de portadores de carga: 1. Fotoconductancia transitoria para medir el
proceso de recombinacin de portadores de carga en materiales semiconductores
inorgnicos. 2. Tcnica de tiempo de vuelo para estimar el tiempo medio de
recombinacin de portadores de carga en semiconductores orgnicos en donde
las movilidades de portadores de carga son mucho menores que las de
semiconductores inorgnicos. 3. Mtodo de fotovoltaije transitorio que determina la
rapidez de recombinacin de portadores de carga en la interface de una
heterounin en una celda fotovoltaica.
Productividad Acadmica de la etapa
International Conference on Materials Research, CdS COATED ACETATE
CELLULOSE FIBERS FOR HYBRID BULK SOLAR CELL APPLICATIONS:
EFFECT OF SOLVENTS ON THE MORPHOLOGY OF INORGANIC-ORGANIC
COMPOSITE MATERIALS, Hugo Cortina, Claudia Martnez, Mnica Castillo,
Mrida Sotelo, Maria Elena Nicho, Hailin Hu, 15-18 de agosto de 2011, Cancn,
Q.Roo, Mxico.
International Conference on Materials Research, SYNTHESIS AND
CHARACTERIZATION OF CADMIUM SULFIDE NANOPARTICLES, C. Martnez
Alonso, Xavier Mathew, Hailin Hu, 15-18 de agosto de 2011, Cancn, Q.Roo,
Mxico.
International Conference on Materials Research, "EFFECT OF SOLVENT,
THERMAL ANNEALING AND CONDUCTIVE CARBON/AU CONTACT ON THE
PERFORMANCE OF CdS/P3HT BILAYER SOLAR CELLS", H. J. Cortina, C.
Martnez, P.K. Nair, H. Hu, 15-18 de agosto de 2011, Cancn, Q.Roo, Mxico.
H. Cortina, E. Pineda, J. Campos, M. E. Nicho and H. Hu*, Photogenerated
charge carrier recombination processes in CdS/P3OT solar cells: effect of
structural and optoelectronic properties of CdS films, European Physical Journal:
Applied Physics 55 (2011) 30901 (8 pginas).
Narcizo Mendoza, Francisco Paraguay-Delgado, Liliana Hechavarra, Ma.Elena
Nicho and Hailin Hu*, Nanostructured polyethylene glycol- titanium oxide
compounds as solvent-free viscous electrolytes for electrochromic devices, Solar
Energy Materials & Solar Cells 95 (2011) 2478- 2484.
Artculo de diffusion:
O.H. Salinas*, M.C. Arenas, M.E. Nicho, and Hailin Hu, Systematic electrical
characterization study of a hybrid organic-inorganic semiconductor heterojunction
at different illumination conditions, Revista Mexicana de Fsica 57 (2011) 73-77.
Memoria en congreso:
Narcizo Mendoza, Liliana Hechavarra,Francisco Paraguay-Delgado and Hailin Hu,
Electrochromic performance of WO3 thin films with solvent-free viscous
electrolytes based on polyethylene glycol-titanium oxide nanocomposites,
Proceedings of 2010 Materials Research Society Fall Meetings, No.1312 (2011)
105-110. Segundo ao-2012
1) Caracterizacin elctrica y ptica de las pelculas delgadas utilizando
equipos de efecto Hall, mediciones a bajas temperaturas, fotorespuesta,
espectroscopa UV-VIS (brecha de energa), mediciones de
fotoconductividad transitoria en materiales semiconductores, mediciones de
fotovoltaje y fotocorriente transitorios en celdas solares para estudiar los
fenmenos de transporte y recombinacin de portadores de carga.
Se analizaron los procesos de recombinacin de portadores de carga en celdas
fotovoltaicas hbridas de poli3-octiltiofeno (P3OT) con CdS en funcin de las
propiedades estructurales y optoelectrnicas de las pelculas de CdS depositadas
por el mtodo de bao qumico. La temperatura de la solucin de depsito fue 60
u 80C y el tiempo de depsito, de 1 a 3 horas. Los tiempos de recombinacin de
portadores de carga en las pelculas de CdS fueron determinados por la tcnica de
decaimiento de fotoconductancia, mientras que el mismo parmetro en las
pelculas de P3OT fue estimado por el mtodo de tiempo de vuelo. Por ltimo, el
tiempo de recombinacin de portadores de carga en la interface entre CdS y P3OT
fue medido por la tcnica de fotovoltaje transitorio. Se han encontrado que las
pelculas de CdS crecidas a un menor temperatura 60 C, en comparacin con las
de 80 C, dan una mayor rapidez de recombinacin de portadores de carga en la
interface CdS/P3OT una mayor fotocorriente y eficiencia de conversin luz-
electricidad. Esta mejora se debe la reduccin de la densidad de trampas de
portadores de carga dentro de los granos y en las fronteras de los mismos en las
pelculas de CdS depositadas a bajas temperaturas.
2) Optimizacin y caracterizacin de prototipo de celdas solar basada en
poli-3 alquiltiofenos con semiconductores inorgnicos.
Uno de los problemas que causan la baja eficiencia de las celdas solares
polimricas es el contacto metlico colocado encima del polmero conductor poli3-
hexiltiofeno (P3HT) o poli3-octiltiofeno (P3OT) para extraer la fotocorriente.
Tomando la experiencia del uso de pintura de carbono en celdas solares
inorgnicas de otros colegas del proyecto LIFyCS (P.K.Nair y sus colaboradores)
se hizo un estudio sobre el efecto de la colocacin de la pintura de carbono en el
desempeo fotovoltaico de las celdas solares de CdS/P3HT. Se comprob que el
uso de dicha pintura se duplica el fotovoltaje y, por lo tanto, la eficiencia de
conversin luz-electricidad de las celdas polimricas.
Productividad acadmica de la etapa
Hugo Cortina, Claudia Martnez-Alonso, Mnica Castillo-Ortega, Hailin Hu*,
Cellulose acetate fibers covered by CdS nanoparticles for hybrid solar cell
applications, Materials Science and Engineering B 177 (2012) 1491- 1496.
L. Hechavarra, N. Mendoza, M.E. Rincn, J. Campos, H. Hu*,
Photoelectrochromic performance of tungsten oxide based devices with PEG-
Titanium complex as solvent-free electrolytes, Solar Energy Materials & Solar
Cells 100 (2012) 27-32.
Narcizo Mendoza, Francisco Paraguay-Delgado and Hailin Hu*, Effect of different
acid and lithium salt used in polyethylene glycol- titanium oxide based solvent-free
electrolytes on electrochromic performance of WO3 thin films, Solar Energy 86
(2012) 997- 1003.
Hugo Cortina, Edwin Pineda, Hailin Hu*, Measurement of charge carrier
recombination rates in planar hybrid CdS/P3OT solar cells, Solar Energy 86
(2012) 1004 - 1009.
Edwin Pineda, Ma.Elena Nicho, P.K.Nair, Hailin Hu*, Optoelectronic properties of
chemically deposited Bi2S3 thin films and the photovoltaic performance of
Bi2S3/P3OT solar cells, Solar Energy 86 (2012) 1017- 1022.
Posdoctorante:
- Erik Ramrez Morales, Depsito de capas nanomtricas de xidos metlicos
mediante la tcnica de ALD para su aplicacin en celdas solares fotovoltaicas.
Estancias posdoctorales vinculadas con el fortalecimiento de la calidad del
posgrado nacional, 2011(3). 1 de enero 31 de agosto de 2012.
Contribuciones en congresos:
International Conference on Materials Research, Characterization of Aluminium
Oxide Thin Films by ALD with O3 and Water as Oxidant, Aguilar-Gama Marco-
Tulio, Erik R.Morales, Rogelio Moran Elvira, Zhao Hailin Hu, 12-17 de agosto de
2012, Cancn, Q.Roo, Mxico.
International Conference on Materials Research, Deposition of Al2O3 thin film by
Atomic Layer Deposition with different substrates, Erik R. Morales , Aguilar-Gama
Marco-Tulio, Rogelio Moran Elvira, Hailin Zhao Hu, 12-17 de agosto de 2012,
Cancn, Q.Roo, Mxico.
International Conference on Materials Research, Core-shell CdSe/CdS
nanoparticles for solar cell applications, Selene Coria, Mrida Sotelo, Claudia
Martnez, Hailin Hu, 12-17 de agosto de 2012, Cancn, Q.Roo, Mxico.
International Conference on Materials Research, SOLUTION SYNTHESIZED CdS
NANOPARTICLES FOR CdS:P3HT SOLAR CELL APPLICATIONS, C. Martnez
Alonso, Erik R. Morales, M. C. Arenas, M. E. Nicho, Hailin Hu, 12-17 de agosto de
2012, Cancn, Q.Roo, Mxico.
Tercer ao-2013
Prototipo de celdas fotovoltaicas polimricas;
Las celdas solares hbridas de CdS/P3HT fueron preparadas con diferentes
tcnicas de colocacin de las capas activas: (1) Estructura de pelculas delgadas,
en donde se coloca primero la pelcula de CdS seguido por el depsito de la
pelcula de P3HT. (2) Estructura de bicapa-rugosa, en donde se colocan las
nanopartculas de CdS por spin-coating o goteo, y luego cubrir estas partculas
con solucin de P3HT. (3) Estructura de bulto, en donde se mezclan las
nanopartculas de CdS con la solucin de P3HT, y la solucin mezcla se deposita
sobre el sustrato para formar una capa activa de las celdas. La mejor eficiencia
que se han logrado hasta el momento es la estructura de bicapa-rugosa (ver la
foto anexo). Sin embargo, se est mejorando el proceso de la sntesis de las
nanopartculas de CdS y como consecuencia la miscibilidad entre stas y la
solucin P3HT. Se espera que las futuras celdas polimricas se preparan con la
estructura de bulto.
Productividad acadmica
Tesis de maestra: Depsito de capas atmicas de xidos metlicos para su
aplicacin en celda solares hbridas, por Marco Tulio Aguilar Gama, Maestra en
Ingeniera (Energa), UNAM. Fecha del examen: 27 de septiembre de 2013.
Tesis de Doctorado: CELDAS SOLARES HBRIDAS CON POLI(3-
ALQUILTIOFENOS), por Hugo Jorge Cortina Marrero, Doctorado en Ingeniera
(Energa), UNAM. Fecha tentativa del examen: febrero de 2014.
Artculos de investigacin:
M. T. Aguilar-Gama, Z. Montiel-Gonzlez, E. Ramrez-Morales, A. Mendoza-
Galvn and Hailin Hu*, Morphology and optical properties of ZnO thin films
prepared by low temperature atomic layer deposition, enviado.
C. Selene Coria-Monroy, Claudia Martnez-Alonso, M. Sotelo-Lerma, Jos Manuel
Hernndez, Hailin Hu*, Stabilizer-free CdSe/CdS core/shell particles from one-
step solution precipitation and their application in hybrid solar cells, enviado.
Claudia Martnez-Alonso*, Hugo J. Cortina-Marrero, C. Selene Coria-Monroy, M.
C. Arenas, M.E. Nicho, Hailin Hu*, SOLUTION SYNTHESIZED CdS
NANOPARTICLES FOR HYBRID SOLAR CELL APPLICATIONS, enviado.
M. Tulio Aguilar-Gama, Erik Ramrez-Morales, Z. Montiel-Gonzlez, A. Mendoza-
Galvn, Mrida Sotelo-Lerma, P.K.Nair, Hailin Hu*, Structure and Refractive Index
of Thin Alumina Films Grown by Atomic Layer Deposition, enviado.
Hugo J. Cortina-Marrero, P. K. Nair and Hailin Hu*, Conductive carbon paint as
an anode buffer layer in inverted CdS/Poly(3-hexylthiophene) solar cells, Solar
Energy 98 (2013) 196-202.
H. J. Cortina-Marrero, C. Martnez-Alonso, L. Hechavarra-Difur, H. Hu*,
Photovoltaic performance improvement in planar P3HT/CdS solar cells induced by
structural, optical and electrical property modification in thermal annealed P3HT
thin films, European Physical Journal: Applied Physics 63 (2013)10201 (7
pginas). DOI: 10.1051/epjap/2013120361.
Contribuciones en congresos:
Solar World Congress-2013, LIGAND-FREE CADMIUM SULFIDE
NANOPARTICLES SYNTHESIZED BY CHEMICAL PRECIPITATION FOR
HYBRID SOLAR CELL APPLICATION, Claudia Martnez-Alonso, Selene Coria,
Ma. Concepcin Arenas, Hailin Hu, 3-7 de noviembre de 2013, Cancn, Mxico.
5th International Conference on Hybrid and Organic Photovoltaics, CdSe AND
CdSe/CdS CORE-SHELL NANOPARTICLES AND THEIR APPLICATION IN
HYBRID SOLAR CELLS, Christian Selene Coria-Monroy, Claudia Martnez,
Mrida Sotelo-Lerma, M. Elena Nicho, Hailin Hu, 5-8 de mayo de 2013, Sevilla,
Espaa.
5th International Conference on Hybrid and Organic Photovoltaics, SYNTHESIS
OF CdS NANOPARTICLES BY MICROWAVE ASSISTED SOLUTION METHOD,
Claudia Martnez-Alonso, Carlos A. Rodrguez Castaeda, Paola Moreno Romero,
Hailin Hu, 5-8 de mayo de 2013, Sevilla, Espaa.
2 Simposio Internacional sobre Energas Renovables y Sustentabilidad,
Morphological and optical properties of Al2O3 layers deposited by ALD, M.Tulio
Aguilar-Gama, Erik Ramrez-Morales, Zeuz Montiel-Gonzlez, P.K.Nair, Hailin Hu,
21-23 de marzo de 2013, Temixco, Morelos, Mxico.
Desarrollo de Pelculas delgadas de Cu2ZnSnX4 (X=S, Se) para
celdas solares por depsito qumico
Grupo Dra. M. T. Santhamma Nair
Aos 2011-14
Aqu presentan los avances en las investigaciones para la formacin de
pelculas delgadas de Cu2ZnSnS4 (CZTS) y Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) a travs del
tratamiento trmico de multicapas de SnS-CuS-ZnS, ZnS-SnSe-CuSe, depsito de
capas metlicas sobre dichos calcogenuros y modificaciones en las condiciones y
tcnicas de depsitos de pelculas delgadas de SnS, SnSe u otras pelculas para
mejorar la adherencia de las multicapas. Se desarrollaron pelculas delgadas
semiconductoras de xidos de Zn y Sn, y de estanatos de cadmio para utilizarlas
en celdas solares como capas ventana, buffers y conductores transparentes con
dichas capas absorbedoras. Concurrente a los avances en las pelculas delgadas,
se desarrollaron celdas solares en configuraciones de superestrato y substrato.
Los avances y logros alcanzados en estas actividades estn resumidos en los
siguientes prrafos.
El tratamiento trmico de las multicapas de SnS-CuS-ZnS en presencia de
la mezcla de polvos de SnS y S, y las multicapas de ZnS-SnS-S a 460oC en
presencia de Ar (10 Torr), result en pelculas delgadas de Cu2ZnSnS4 con mejor
cristalinidad (16 20 nm de tamao de cristal) evitando la perdida de material por
sublimacin y la formacin de SnS2. El pre-tratamiento de las multicapas de SnS-
CuS a 300 oC no resulta en la formacin de compuestos ternarios en las
multicapas. Los picos de las vibraciones caractersticas de Cu2ZnSnS4 ubicados
en 287 cm-1, 337 cm-1 y 367 cm-1 del espectro de Raman de la pelcula, corrobor
los resultados del anlisis de estructura cristalina por difraccin de rayos X (DRX)
de las pelculas formadas. Las pelculas presentan conductividad elctrica tipo p
entre 0.3 - 0.14 ( cm)-1, y la brecha de energa Eg se encuentra
aproximadamente en 1.4 eV debido a la transicin directa. Estas caractersticas
son semejantes a las conductividades y Eg tpicas que muestran las pelculas
absorbedoras de las celdas solares. En este estudio observamos que para obtener
multicapas de SnS-CuS, sin desprendimiento, las pelculas delgadas de SnS
deben depositarse a temperatura de 25 oC o menos. Las pelculas de SnS recin
depositadas son compactas con estructura cristalina cbica (Cub-SnS) y tienen Eg,
de 1.66 eV, y conductividad elctrica del orden de 10-7(ohm cm)-1. Las pelculas
crecen en forma de hojuelas verticales a partir de una temperatura de depsito de
35 C, mostrando estructura cristalina ortorrmbica (OR-SnS), la brecha de
energa de 1.1 eV y conductividad elctrica de 10-4 ( cm)-1.
En el caso de las pelculas delgadas de Cu2ZnSnSe4, observamos que la
formacin del compuesto cuaternario ocurre al someter las multicapas de pelculas
delgadas SnSe-Cu2-xSe-Zn, depositadas secuencialmente, a un tratamiento
trmico en atmosfera de N2 a 400 oC durante 1, 2 y 3 h. Las pelculas exhiben una
estructura cristalina tetragonal (a: 0.56 nm y c: 1.13 nm) con picos de difraccin de
rayos X que corresponden a los planos (112), (204), (312), (008) y (316) de
(Cu2ZnSnSe4), un tamao promedio de cristal de 18 nm, la brecha de energa de
1.59 1.36 eV y conductividad tipo p. Los patrones de DRX y los anlisis de
composicin por EDS muestran la presencia de otros componentes, tales como
Zn, ZnSe, etc., que no reaccionaron en la pelcula. La pelcula de SnS (200nm) y
Zn (100 nm) fueron depositadas por evaporacin trmica y la de Cu2-xSe fue
depositada a partir de un bao qumico mantenido a 40 oC.
Otras pelculas delgadas que desarrollamos en el tercer ao del proyecto fueron
de los xidos, SnO2 y ZnO, los cuales tienen brechas de energa amplias que
pueden ser utilizadas como capas ventanas y conductoras transparentes en las
celdas solares. Las pelculas delgadas de SnO2 obtenidas por tratamientos
trmicos de las pelculas de SnS depositadas a 40 C (300 nm) a temperaturas de
400 C (1 h), 450 C (30 min), 450 C (1 h) y 500 C (30 min) presentan morfologa
de hojuelas verticales, estructura cristalina tetragonal semejante a casiterita, una
brecha de energa 3 eV y conductividad tipo n- del orden de 10-1 ( cm)-1. En el
caso de las pelculas delgadas de ZnO, utilizamos los mtodos de sputtering, spin-
coating de nano-cristales, depsito qumico directo de un bao de solucin, y la
conversin de pelculas delgadas de ZnS obtenidas por depsito qumico. Las
pelculas de ZnO de 100 nm obtenidas por sputtering muestran estructura
cristalina semejante a wurtzita, una brecha de energa de 3.15 eV, y conductividad
elctrica entre 10-5 y 10-7 (cm)-1.
Se desarrollaron varias estructuras fotovoltaicas utilizando las pelculas delgadas
desarrolladas en el proyecto en este ao. En la estructura
TCO/CdS(100nm)/SnS(Cub u OR 600 nm), con la pelcula de Cub-SnS
observamos voltaje de circuito abierto (Voc) de 230 mV y corriente de corto
circuito (Jsc) de 1 mA/cm2 y con la pelcula de OR-SnS Voc de 270 mV y Jsc de
1.1 mA/cm2. Se fabric la celda solar utilizando los procesos de sputtering para las
pelculas de Cr y Mo, ZnO y ZnO:In; el depsito qumico para la pelcula de CdS
(70 nm). La estructura Cr/Mo/CZTS/CdS(70 nm)/ZnO/ZnO:In (300 nm) presento un
Voc de 6 mV.
Durante el tercer ao del proyecto nos enfocamos en: confirmar la formacin y
adecuar las propiedades de las pelculas delgadas de Cu2ZnSnS4 (CZTS) y
Cu2ZnSnSe4 (CZTSe), un mayor entendimiento de la dependencia de la estructura
cristalina y otras propiedades de las pelculas delgadas de SnS con la temperatura
de depsito del bao qumico, optimizar las condiciones de depsito de pelculas
delgadas de SnSe para asegurar la reproducibilidad y obtener pelculas delgadas
de xidos de metales con brechas de energa adecuadas para su uso como capa
ventanas y/o conductoras transparentes. En todas estas investigaciones hemos
alcanzados avances en generar nuevos conocimientos que nos ayudan a cumplir
con las metas del proyecto. As mismo, concurrente a los avances en las pelculas
desarrollamos tambin celdas solares utilizando dichas pelculas absorbedoras y
las ventanas/buffer de xidos de metales.
Pelculas delgadas de sulfoestanatos de cobre-zinc, CZTS: La adherencia de las
multicapas de SnS-CuS-ZnS se mejora cuando se depositan las pelculas
delgadas de SnS a partir de baos qumicos mantenidos a temperaturas < 25 oC y
se realiza un tratamiento trmico a la capa de SnS-CuS antes de depositar la capa
de ZnS por el mtodo de bao qumico. Se observa tambin, que es importante el
tratamiento trmico de SnS-CuS-ZnS a 460 C en 10 Torr de atmosfera de Ar, en
la presencia de polvo de SnS-S para mejorar el tamao de cristal de la pelcula de
CZTS y minimizar la prdida de CZTS va su disociacin y subsecuente
sublimacin de SnS y S durante el tratamiento trmico. Obtuvimos tambin la
formacin de CZTS en las multicapas obtenidas por la combinacin de
evaporacin trmica y deposito qumico, por ejemplo, utilizando el arreglo de SnS
(210 nm, depsito qumico, CD) + CuS (90 nm, CD) + Zn (50 nm, evaporacin
trmica, TE). Las pelculas de CZTS obtenidas muestran estructura tetragonal de
Cu2ZnSnS4 semejante al mineral kesterita, con tamao de cristal de entre 16 y 20
nm. Como consecuencia de tener una estructura cristalina basada en zinc blenda,
las diferentes fases secundarias tales como Cu2SnS3, Cu2-xSe, etc., interfieren en
la determinacin de la estructura cristalina de CZTS, por esto, para corroborar
nuestro resultado de difraccin de rayos X, utilizamos el espectro de Raman de las
pelculas, lo cual muestra picos de vibraciones a 287 cm-1, 337 cm-1 y 367 cm-1
que corresponden a los vibraciones simtricas de Cu2ZnSnS4. As, avanzamos en
el desarrollo de las pelculas delgadas de CZTS, generando nuevos conocimientos
en los aspectos de los depsitos de multicapas, tratamientos trmicos,
coexistencia de las fases secundarias y caractersticas estructurales. En las
estructuras de vidrio/Mo (o a acero inoxidable /CZTS/CdS(70 nm)/ZnO/ZnO:Al, en
donde utilizamos una combinacin de evaporacin y depsito qumico para
obtener la multicapa precursora -SnS(TE-200nm)/Cu(TE-75nm)-ZnS (100 nm,
CD)- se observ efecto fotovoltaico dando un voltaje de 6 mV. El tamao de
cristal de entre 16 y 20 nm es relativamente pequeo para la aplicacin que se
requiere, por lo que es necesario analizar las condiciones experimentales para
incrementar su tamao.
Pelculas delgadas de SnS: se observ que la transicin del cambio de estructura
cbica-ortorrmbica es observada cerca de la temperatura de depsito de 35 C,
consideramos es un conocimiento importante respecto a dichas pelculas ya que
forman un componente importante en el desarrollo de CZTS, debido a que las
pelculas delgadas de SnS cubica son compactas y ms adherentes. Empleando
stas pelculas, se desarrollaron celdas solares con TCO/CdS(100nm)/SnS(Cub u
OR 600 nm), obtenindose valores de Voc de 230 mV y Jsc de 1 mA/cm2
utilizando la pelcula de Cub-SnS y para las pelculas de OR-SnS se obtuvo un
Voc de 270 mV y Jsc de 1.1 mA/cm2.
Pelculas delgadas de Cu2ZnSnSe4: por primera vez, obtuvimos la formacin de
este compuesto cuaternario al hornearse las multicapas de SnSe-Cu2-xSe-Zn a
400 oC en atmosfera de N2. Las capas de SnSe y Zn fueron obtenidas por
evaporacin y la de Cu2-xSe por depsito qumico. Los anlisis por DRX muestran
picos que corresponden a Cu2ZnSnSe4 con estructura cristalina tetragonal (a:
0.56 nm y c: 1.13 nm) con un tamao promedio de cristal de 18 nm, lo cual no se
cambia con la duracin de tratamiento trmico. La pelcula que contiene un exceso
de Zn, determinado por EDS, tiene brecha de energa de 1.36 - 1.59 eV y
conductividad tipo p. Estos resultados fueron alentadores para el desarrollo del
proyecto. Se utiliz el mtodo evaporacin como una alternativa mientras
estbamos resolviendo el problema de la reproducibilidad en el depsito qumico
de pelculas delgadas de SnSe.
Pelculas delgadas de SnSe: se tuvo un buen avance logrando obtener pelculas
de buena adherencia y con reproducibilidad en los depsitos por bao qumico.
Las pelculas obtenidas son cristalinas de estructura ortorrmbica con tamao de
cristal de 20 nm y brechas de energa de 0.8 -1.2 eV con conductividad elctrica
del orden de 10-3 a 10-1 ohm-1 cm-1 (tipo-p). Este xito en la reproducibilidad en el
depsito qumico de las pelculas delgadas de SnSe es importante en el desarrollo
de las pelculas delgadas de CZTSe.
El uso de las pelculas delgadas en celdas solares se ha demostrado con una
estructura del tipo TEC-15/SnO2:F/CdS/Sb2(S,Se)3 /SnSe/C, en las cuales se
alcanzaron valores de Voc de 275 mV, Jsc de 10.2 mA/cm2, FF de 33% y de
0.9%. Para esta se utiliz el mtodo de evaporacin para obtener pelculas de
SnSe.
Por otra parte avanzamos tambin en el desarrollo de pelculas delgadas de
oxidos de estao y zinc para utilizarlas como componentes ventanas/buffers y
recubrimientos de conductores transparentes en celdas solares con las pelculas
absorbedoras formadas en el proyecto. Con los tratamientos trmicos a
temperaturas de 400 C - 500 C de las pelculas de OR-SnS obtuvimos las
pelculas delgadas de SnO2 con estructura tetragonal, brecha de energa 3 eV y
conductividades del orden de 10-1 ( cm)-1. Aplicando dichas pelculas en la celda
solar TCO/SnO2 (250 nm)/CdS(100 nm)/SnS-ZB(200 nm) se obtuvo un Voc de
342 mV y Jsc de 17 A. Las pelculas delgadas de xido de zinc fueron
depositadas por diferentes mtodos. Las pelculas obtenidas por sputtering de
blancos de ZnO en condiciones ptimas encontrados en este trabajo, muestran
que la brecha de energa es 3.15 eV y la conductividad elctrica entre 10-5 y 10-7
(cm)-1. Tambin se obtuvieron pelculas de ZnO a partir de la oxidacin de una
pelcula delgada de ZnS, por depsito de nanopartculas por spin coating y
tambin se obtuvo una pelcula delgada de ZnO por depsito qumico directo. Se
utilizaron las pelculas delgadas de ZnO y ZnO:Al depositadas por sputtering como
capa buffer y ventana/conductora, respectivamente en la estructura fotovoltaica
desarrollada con CZTS mencionada anteriormente.
Productos acadmicos y/o divulgacin:
Parte de los resultados en las pelculas delgadas de CZTS fueron presentados en
el Simposio F2: Novel Design and Electrodeposition Modalities, 223rd ECS Meeting
in Toronto, Ontario, Canada (May 12-16, 2013). Con los resultados de los anlisis
de composicin qumica y propiedades estructural, pticas y elctricas de las
pelculas delgadas de SnS, se elabor un artculo, Evolution of crystalline
structure in SnS thin films prepared by chemical deposition, el cual esta enviado a
la revista Solid State Sciences. As mismo los resultados en pelculas delgadas de
SnSe fueron presentados en el congreso internacional MRS spring meeting 2013,
San Francisco, CA, Abril 2013; Absorber thin films of SnSe in solar cell
structures. Adems estamos trabajando para enviar dos artculos ms, 1 sobre la
pelcula delgada de Cu2ZnSnS4 y otro sobre la pelcula delgada de SnSe a
revistas indizadas de circulacin internacional.
Formacin de recursos humanos: Las cuatro alumnas de Posgrado de la
UNAM, Enue Barrios, Maricela Rebeca Aragn, Dalia Mason y Ana Rosa Garca
Angelmo, continuaron participando activamente en el proyecto. Sus programa
doctoral con tesis en temas relacionado al proyecto estn en buen camino.
Esperamos que las tres de estas alumnas concluyan sus tesis y se graduarn en
el ao 2013 o en el primer cuatrimestre del ao 2014. Durante la segunda etapa,
Mario Landa, alumno de Licenciatura en Ing. Ambiental de UPMor, ingres a
nuestro grupo del proyecto para realizar una estancia de Residencia Profesional,
colaborando en las investigaciones de depsito qumico de selenuros de metales.
Rebeca Aragn, Ana Rosa Garca, y Enue Barrios se encuentran como co-autores
en los artculos mencionados anteriormente, y Dalia Mazn es coautor en otro
artculo enviado para su publicacin. El alumno de la licenciatura, Mario Landa,
quin ingreso en el proyecto durante la segunda etapa, concluyo su tesina con el
ttulo, pelculas delgadas de xido de zinc para aplicaciones en celdas solares, y
obtuvo su grado de Licenciatura en Ingeniera en Tecnologa Ambiental de la
Universidad Politcnica del Estado de Morelos. Las pelculas de ZnO es una capa
ventana que estamos planeando para utilizar en las celdas solares de las pelculas
delgadas absorbedoras de calcogenuros que pertenecen al tema de este proyecto.
Adems, tambin colaboraron dos postdoctorantes, Dr. Roman Romano (1
Octubre 2012 31 Marzo 2013) y Dr. Dabid Becerra (1 Octubre hasta a la fecha)
durante esta etapa del proyecto. Estos postdoctorantes contribuyeron en el
desarrollo de las pelculas delgadas de xidos de Zn, en la evaporacin de
pelculas delgadas y en el desarrollo de celdas solares.
Se particip en dos congresos internacionales: (i) en el simposio C: Thin-Film
Compound Semiconductor Photovoltaics de la Reunin Internacional de 2013
MRS Spring Meeting, San Francisco, CA, 1- 5 abril 2013; y (ii) en el simposio F2:
Novel Design and Electrodeposition Modalities de la Reunin internacional, 223rd
ECS Meeting in Toronto, Ontario, Canada (May 12-16, 2013). En la reunin de
MRS particip el responsable tcnico, otro acadmico participante del proyecto, y
la alumna Enue Barrios que present el trabajo, Absorber thin films of SnSe in
solar cell structures. En la reunin de ECS en 2013 participaron dos acadmicos
del proyecto y se present el artculo, Absorber thin films of Cu2ZnSnS4 from
chemically deposited binary compounds, en el cual, la alumna Rebeca Aragn
fue uno de los autores.
Anlisis crtico y trabajo a futuro:
Nuestros esfuerzos en el desarrollo de las pelculas delgadas de estanatos de
composiciones ternarias y cuaternarias, las de sus precursoras de composicin
binarias, y las de capas ventanas o conductoras transparentes resultaron en
conocimientos nuevos e importantes. Concurrentemente a los avances en las
pelculas delgadas, tambin mostramos su uso en celdas solares, sin embargo, es
necesario realizar ms investigaciones en la optimizacin de las condiciones de
depsitos y tratamientos post depsito para obtener pelculas delgadas de
estanatos absorbedoras para la conclusin exitosa del proyecto.
Productividad global de los grupos IER en temas afines a LIFYCS
Artculos indizados (2011 2013) 1. Barrios-Salgado, E., M. T. S. Nair, et al. (2011). "Chemically deposited thin
films of PbSe as an absorber component in solar cell structures". Thin Solid
Films 519(21): 7432-7437.
2. Becerra, D., M. T. S. Nair, et al. (2011). "Analysis of a Bismuth Sulfide/Silicon
Junction for Building Thin Film Solar Cells". Journal of the Electrochemical
Society 158(7): H741-H749.
3. Benhaliliba, M., C. E. Benouis, et al. (2013). "Preparation and characterization
of nanostructures of in-doped ZnO films deposited by chemically spray
pyrolysis: Effect of substrate temperatures". Superlattices and Microstructures
63: 228-239.
4. Benouis, C. E., M. Benhaliliba, et al. (2011). "Physical properties of ultrasonic
sprayed nanosized indium doped SnO(2) films". Synthetic Metals 161(15-16):
1509-1516.
5. Calixto-Rodriguez, M., H. M. Garcia, et al. (2013). "Antimony
Chalcogenide/Lead Selenide Thin Film Solar Cell with 2.5% Conversion
Efficiency Prepared by Chemical Deposition". Ecs Journal of Solid State
Science and Technology 2(4): Q69-Q73.
6. Cortina, H., E. Pineda, et al. (2011). "Photogenerated charge carrier
recombination processes in CdS/P3OT solar cells: effect of structural and
optoelectronic properties of CdS films". European Physical Journal-Applied
Physics 55(3): 8.
7. Enriquez, J. P., N. R. Mathews, et al. (2013). "Influence of the film thickness on
structural and optical properties of CdTe thin films electrodeposited on
stainless steel substrates". Materials Chemistry and Physics 142(1): 432-437.
8. Gutierrez, D. J. R., N. R. Mathews, et al. (2013). "Photocatalytic activity
enhancement of TiO2 thin films with silver doping under visible light". Journal
of Photochemistry and Photobiology a-Chemistry 262: 57-63.
9. Hechavarria, L., N. Mendoza, et al. (2012). "Photoelectrochromic performance
of tungsten oxide based devices with PEG-titanium complex as solvent-free
electrolytes". Solar Energy Materials and Solar Cells 100: 27-32.
10. Martnez, O. S., A. R. Millan, et al. (2012). "Study of the Mg incorporation in
CdTe for developing wide band gap Cd1-xMgxTe thin films for possible use as
top-cell absorber in a tandem solar cell". Materials Chemistry and Physics
132(2-3): 559-562.
11. Martnez-Escobar, D., M. Ramachandran, et al. (2013). "Optical and electrical
properties of SnSe2 and SnSe thin films prepared by spray pyrolysis". Thin
Solid Films 535: 390-393.
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Tesis (2011 2013)
1. Becerra Garca, D. (2012). Heterouniones fotovoltaicas de silicio cristalino
formadas con pelculas delgadas de compuestos semiconductores. Posgrado
en Ingeniera (Energa), Universidad Nacional Autnoma de Mxico.
Doctorado.
2. Capistrn Martnez, J. (2013). Celdas solares con pelcula delgada de sulfuro
de antimonio. Posgrado en Ingeniera (Energa), Universidad Nacional
Autnoma de Mxico. Maestra.
3. Elizalde Carillo, E. F. (2012). Efecto de potencial en la sntesis de pelculas
delgadas de plomo por el mtodo de electrodeposito, Instituto Tecnolgico de
Zacatepec. Licenciatura.
4. Garca Angelmo, A. R. (2011). Investigaciones de las caractersticas
fotovoltaicas de heterounines de pelculas delgadas de sulfuros de estao
con capas ventana de diferentes calcogenuros. Posgrado en Ingeniera,
Universidad Nacional Autnoma de Mxico. Maestra. Energa.
5. Gmez Romero, S. Y. (2011). Desarrollo de pelculas delgadas de bicapas de
CdS para aplicacin en celdas solares, Universidad Politcnica del Golfo de
Mxico. Licenciatura.
6. Martnez Anaya, H. B. (2011). Efecto de tratamiento trmico de las pelculas
delgadas de SnS depositadas electroqumicamente, Universidad Autnoma
del Estado de Morelos. Licenciatura.
7. Moreno Garca, H. (2011). Celdas solares de pelculas delgadas de sulfuros
de bismuto y de plomo por depsito qumico. Posgrado en Ingeniera,
Universidad Nacional Autnoma de Mxico. Doctorado. Energa.
8. Santos Magdaleno, S. d. l. L. (2012). Evaluacin del desempeo energtico de
sistemas fotovoltaicos basados en pelculas delgadas (Silicio Amorfo y Telurio
de Cadmio). Posgrado en Ingeniera (Energa), Universidad Nacional
Autnoma de Mxico. Maestra.
9. Sayago Hoyos, J. J. (2011). Evaluacin de parmetros de celdas solares por
depsito qumico. Posgrado en Ingeniera, Universidad Nacional Autnoma de
Mxico. Maestra. Energa.
10. Tamay Bentez, J. (2012). Formacin de pelculas delgadas por compuestos
ternarios a base de Cu-SnS por el mtodo de electrodepsito, Instituto
Tecnolgico de Zacatepec. Licenciatura.
11. Teja, J. L. (2011). Caracterizacin de celdas solares, Instituto Tecnolgico de
Zacatepec. Licenciatura.
12. Valencia Jurez, M. (2011). Estudio del comportamiento energtico de un
sistema de 10.0 kw interconectada a la red local ubicada en el D.F., Mxico.
Facultad de Ingeniera, Universidad Veracruzana. Maestra.
13. Angeles Ordoez, G. (2012). Deposicin y caracterizacin de pelculas de CdS
por la tcnica de CSS para aplicaciones de celdas solares. Posgrado en
Ingeniera (Energa), Universidad Nacional Autnoma de Mxico. Maestra.
14. Anguera Romero, E. (2013). Desarrollo de un rbol solar y mtodos
asociados. Posgrado en Ingeniera (Energa), Universidad Nacional Autnoma
de Mxico. Maestra.
15. Castro Gutirrez, F. y. G. C., David Leonardo (2012). Aprovechamiento
cogenerativo de un pnel solar hbrido. Facultad de Ingeniera, Universidad
Nacional Autnoma de Mxico. Licenciatura.
16. Coln Garca, C. (2012). Estudio del efecto de trampas sobre la eficiencia de la
celda solar de CdTe, mediante la tcnica PICTS. Posgrado en Ingeniera
(Energa), Universidad Nacional Autnoma de Mxico. Maestra.
17. Guerrero Hernndez, A. y. R. M., Jos Alejandro (2012). Sistema de control y
monitoreo de un sistema fotovoltaico, Instituto Tecnolgico de la Costa
Grande. Licenciatura.
18. Ixtlilco Corts, L. (2012). Elaboracin y caracterizacin de pelculas delgadas
de CdS impurificadas con Cu. CIICAP, Universidad Autnoma del Estado de
Morelos. Doctorado.
19. Ramrez Morales, E. (2011). Desarrollo de pelculas delgadas
nanoestructurado de dixido de titanio y su modificacin con metales nobles
para aplicaciones en celdas fotoelectroqumica. Otros Posgrados, UNAM.
Doctorado.
20. Sarracino Martnez, O. (2011). Desarrollo de celdas solares superiores
CdMgTe/CdS para su aplicacin en celda solar tipo Tandem. Otros
Posgrados, Universidad Nacional Autnoma de Mxico. Doctorado.
21. Zarco Quirz, J. A. (2012). Estudiar el efecto del oxgeno en el ambiente y en
las propiedades de pelculas de CdTe depositadas por la tcnica de CSS.
Posgrado en Ingeniera (Energa), Universidad Nacional Autnoma de Mxico.
Maestra.
22. Velzquez Martnez, S. (2012). Desarrollo de celdas solares de TiO2
sensibilizadas con colorantes, Instituto Tecnolgico de Zacatepec.
Licenciatura.
Publicaciones y recursos humanos Grupo participante FIME-UANL
Articulos en Revistas Indizadas
1. Indium selenide thin films by laser irradiation of In/Se layered structure,
R.E.Ornelas Acosta, S. Shaji, D. Avellaneda, A.G. Castillo, T.K. Das Roy, B.
Krishnan, Surface Review Letters, 20 (2013) 1350058.
2. Nanoparticles of antimony sulfide by pulsed laser ablation in liquid media,
Daniel Garza, Grisel Garcia, M.I. Palma, D. Avellaneda, G. A. Castillo, T. K.
Das Roy, B. Krishnan, S. Shaji, Journal of Materials Science, 48 (2013) 6445-
6453.
3. AgSb(SxSe1-x)2 thin films for solar cell applications, J.O. Gonzlez, S. Shaji, D.
Avellaneda, A.G. Castillo, T.K. Das Roy, B. Krishnan, Materials Research
Bulletin, 48 (2013) 1939-1945.
4. Modification of structure, morphology and physical properties of tin sulfide thin
films by pulsed laser irradiation, D. Avellaneda, B. Krishnan, T.K. Das Roy, G.A.
Castillo and S. Shaji, Applied Physics A, 110 (2013) 667-672.
5. In6Se7 thin films by heating thermally evaporated indium and chemical bath
deposited selenium multilayers, R.E. Ornelas, D. Avellaneda, S. Shaji, G.A.
Castillo, T.K. Das Roy and B. Krishnan, Applied Surface Science, 258 (2012)
5753-5758.
6. AgSbSe2 and AgSb(S,Se)2 thin films for photovoltaic applications, J.G. Garza,
S. Shaji, A.C. Rodriguez, T.K. Das Roy, B. Krishnan, Applied Surface Science,
257 (2011) 10834-10838.
7. Modification of optical and electrical properties of chemical bath deposited CdS
using Plasma Treatments, G. Gonzalez, B. Krishnan, D. Avellaneda, G. Alan
Castillo, T.K. Das Roy and S. Shaji, Thin Solid Films, 519 (2011) 7587-7591.
8. p-Type CuSbS2 thin films by thermal diffusion of copper into Sb2S3, C. Garza,
S.Shaji, A.Arato, E.Perez Tijerina, G.Alan Castillo, T.K.Das Roy, B.Krishnan,
Solar Energy Materials & Solar Cells, 95 (2011) 2001-2005.
Articulos en Revistas Arbitradas
1) Copper Indium diselenide thin films using a hybrid method of chemical bath
deposition and thermal evaporation, R. Ernesto Ornelas A, Sadasivan Shaji,
Omar Arato, David Avellaneda, Alan Castillo, Tushar Kanti Das Roy and Bindu
Krishnan, Materials Research Society Symposium Proceedings, 1324 (2011)
2-9.
Capitulos de Libros
1) Antimony based chalcogenide thin films for photovoltaic applications, B.
Krishnan, A.C. Rodriguez, T.K. Das Roy and S. Shaji. Capitulo 6 en libro
ANTIMONY: CHARACTERESTICS, COMPOUNDS AND APLICATIONS,
Editor : Manijeh Razeghi, 2012, Nova Science Publishers, Paginas 125-142.
Conferencias Internacionales / Nacionales.
1. Studies on the structure and properties of TiO2 nanoparticles obtained by
pulsed laser ablation in liquid and their post irradiation effect, Grisel Garcia,
M.I. Palma, B. Krishnan, G. A. Castillo, T. K. Das Roy, D. Avellaneda, S. Shaji,
Oral presentation, ICMAT 2013, Singapore.
2. In6Se7 thin films formed by laser irradiation of In/Se multilayers, Raul Ernesto
Ornelas Acosta, Bindu Krishnan, David Avellaneda, Alan Castillo, Tushar
Kanti Das Roy, Sadasivan Shaji, Josue Amilcar Aguilar, Oral presentation,
IMRC 2013, Cancun, Mexico.
3. Effect of temperature on the morphologies of ZnO nanoparticles synthesized
by pulsed laser ablation in liquid medium , Grisel Garca Guilln, Mara Isabel
Mendivil Palma, Guadalupe Alan Castillo, David Avellaneda, Bindu Krishnan,
Tushar Kanti Das Roy, Sadasivan Shaji Poster presentation, IMRC 2013,
Cancun, Mexico.
4. Nanomaterials of antimony sulfide by pulsed laser ablation in liquid media,
Daniel Garza, Grisel Garcia, M.I. Palma, D. Avellaneda, G. A. Castillo, T. K.
Das Roy, B. Krishnan, S. Shaji, presented in OMTAT-2013 (2nd International
conference on Optoelectronic Materials and Thin films for Advanced
Technology) Kochi- India, January 3-5, 2013.
5. Structure and properties of titanium dioxide obtained by pulsed laser ablation in
water, Grisel Garca G, G.A. Castillo, T.K. Das Roy, B. Krishnan, D.I. Garca
Gutirrez and S. Shaji, Presented in ANGEL-2012 (2nd Conference on Laser
Ablation and Nanoparticle Generation in Liquids), Taormina- Italy, May 22-24,
2012.
6. Fabrication and characterization of zinc oxide nanoparticles by pulsed laser
ablation in liquid, Grisel Garca G, G.A. Castillo, D. Avellaneda, J.A. Aguilar
Martnez, B. Krishnan and S. Shaji, Presented in ANGEL-2012 (2nd
Conference on Laser Ablation and Nanoparticle Generation in Liquids),
Taormina- Italy, May 22-24, 2012.
7. Modification of structure, morphology and physical properties of tin sulphide
thin films by pulsed laser irradiation, D. Avellaneda, B. Krishnan, T.K. Das Roy,
G.A. Castillo and S. Shaji, Presented in COLA-2011 (Conference on Laser
Ablation), Cancun- Mexico, Nov. 2011.
8. Modification of optical and electrical properties of semiconducting thin films by
plasma treatments for their applications in solar cells, Sadasivan Shaji, Invited
Lecture, First International Conference on Plasma Processing of Organic
Materials and Polymers (PPOMP 2011): 25-27 November 2011, Kottayam,
Kerala, India.
9. Copper Indium diselenide thin films using a hybrid method of chemical bath
deposition and thermal evaporation, R. Ernesto Ornelas A, Sadasivan Shaji,
Omar Arato, David Avellaneda, Alan Castillo, Tushar Kanti Das Roy and Bindu
Krishnan, Presented in MRS Spring Meeting, 2011, San Francisco, U.S.A.
10. D. Avellaneda, B. Krishnan and Shaji, "Carbon doped thin films for photovoltaic
applications, XX IMRC 2011 International Materials Research Congress, 14-
19 August 2011, Cancun, Quintana Roo, Mxico.
Participacin en talleres de LYFICS:
I Taller : Dra. Bindu Krishnan, Dr. Sadasivan Shaji, Dr. David Avellaneda
Avellaneda, M.C. Jorge Jorge Oswaldo Gonzalez Garza, M.C. Raul Ernesto
Ornelas Acosta.
II Taller: Dr. David Avellaneda Avellaneda, M.C. Jorge Jorge Oswaldo Gonzalez
Garza, M.C. Raul Ernesto Ornelas Acosta.
III Taller: Dra. Bindu Krishnan, Dr. Sadasivan Shaji, Dr. David Avellaneda
Formacin de recursos humanos
1. Tesis de doctorado: Desarrollo de estructuras fotovoltaicas tipo
CdS/AgSb(SxSe1-x)2 por medio de tcnicas de baja toxicidad y costo, M.C.
Jorge Oswaldo Gonzalez Garza, Augusto 2013.
2. Tesis de doctorado: Incorporacin de la fase Co2SnO4 previamente
sintetizada en varistores cermicos basados en SnO2 M.C. Josue Amilcar
Aguilar Martinez, Diciembre 2013.