Record de eficiencia en celdas solares de Cu2ZnSnS4 en configuración de superestrato

PEREYRA, C.J; BERRUET, M; VÁZQUEZ, M; DI IORIO, Y.; MAROTTI, R.E.

Bariloche

Encuentro; XVII Encuentro Superficies y Materiales Nanoestructurados NANO 2017; 2017

En este trabajo se desarrollan dispositivos fotovoltaicos de capa delgada a partir de materiales no contaminantes con técnicas de síntesis escalables y de bajo costo. La combinación de TiO2 como colector de electrones, In2S3 como capa buffer y Cu2ZnSnS4 (CZTS) como absorbente de la radiación en configuración de superestrato ha permitido obtener una celda solar con eficiencia en la conversión fotovoltaica de 3.6 %. Los prototipos se prepararon empleando vidrio conductor como sustrato (FTO), recubierto con una capa delgada de TiO2 y In2S3 por rocío pirolítico [1,2] sobre los que se electrodepositó el Cu2ZnSnS4 (CZTS). Para la electrodeposición se empleó una celda electroquímica de tres electrodos con calomel saturado y Pt como electrodos de referencia y auxiliar, respectivamente con aplicación de potencial constante de -1.05 V (SCE) a temperatura ambiente. La solución precursora consistió en CuSO4.5H2O, ZnSO4.7H2O, SnSO4 y Na2S2O3 en relación 2:1:2:2, citrato de sodio como agente complejante y ácido tartárico como regulador de pH. Finalmente, la película se sometió a un proceso de recocido a 580 ºC durante 90 minutos en atmosfera de vapor de S. Sobre el prototipo FTO/TiO2/ In2S3 /CZTS/grafito se realizaron ensayos de respuesta tensión-corriente en oscuridad y bajo iluminación con un simulador solar. Además, se evaluó la eficiencia cuántica externa, EQE, y de fotopotencial/fotocorriente modulado en el tiempo, IMVS/IMPS para estimar tiempos de vida medio y de tránsito del electrón fotogenerado. Las tres películas presentan buena cristalinidad, cubrimiento y morfologías uniformes y composición química ajustada a la estequiometría, según muestran los resultados de DRX, SEM/EDS y espectrometría Raman respectivamente. La energía de gap del CZTS (Eg = 1.54 eV) se evaluó a través de espectros UV-Vis. Los espesores de cada capa fueron analizados por perfilometría, siendo siempre inferiores a 1 µm.La mejor celda arrojó valores de potencial de circuito abierto, Voc= 0.590 V, corriente de cortocircuito, Isc= 13.9 mA/cm2 y factor de llenado, FF = 0.44 lo que se traduce en una eficiencia η = 3.6 %. Esta eficiencia resultó comparable a las informadas en la bibliografía para celdas del tipo ITO /ZnO NR /ZnS /CZTS /Au (3.63 %) y supera en mucho la de celdas con la misma combinación de materiales (0.6%) [3,4].Referencias:[1] M. Bär; J. Klaer; L. Weinhardt; R. G. Wilks; S. Krause; M. Blum; W. Yang; C. Heske; H.-W. Schock, Adv. Energy Mater. 3, 777 (2013)[2] R. O?Hayre; M. Nanu; J. Schoonman; A. Goossens, Nanotechnology, 18, 055702 (2007)[3] A. Ghosh; R. Thangavel; A. Gupta, J Alloys Compd, 694, 394 (2017)[4] Q.M. Chen; S.Y. Cheng; S.L. Zhuang; X.M. Dou, Thin Solid Films, 520, 6256 (2012)