REACCIÓN DE FORMACION DE KESTERITAS: ANALISIS CINÉTICO Y DE FASES

ALEJANDRO HERNANDEZ-MARTINEZ; EDGARDO SAUCEDO; MATIAS VALDÉS

Mar del Plata

Congreso; SAM-CONAMET 2022; 2022

Asociación Argentina de Materiales

A la vista de las nuevas tecnologías fotovoltaicas (FV) que están formadas por materiales abundantes en la corteza terrestre y no tóxicos, los compuestos cuaternarios de kesterita (Cu2ZnSnS4-CZTS o Cu2ZnSnSe4-CZTSe o su correspondiente solución sólida Cu2ZnSn(S,Se)4-CZTSSe), se consideran entre los candidatos más promisorios [1, 2]. Esta familia de materiales ha sido ampliamente estudiada en los últimos años, mostrando un coeficiente de absorción de luz muy alto de más de 104 cm-1, una conductividad intrínseca tipo p, y una banda prohibida directa que varía de 1.0 a 1.5 eV dependiendo de la relación S/Se en la película [1, 3, 4], lo que los hace ideales para aplicaciones fotovoltaicas. La kesterita, al igual que otras tecnologías de calcogenuros de capa fina, comparte un alto grado de flexibilidad con la selección de metodologías para la síntesis de absorbentes de calidad FV.Las metodologías de deposición física en fase vapor han ganado mucho interés para la síntesis de kesteritas donde se incluyen los procesos secuenciales basados en la pulverización catódica (sputtering) de capas metálicas apiladas seguida de un tratamiento térmico en atmósfera reactiva de calcógeno (Se o S). En este escenario, es de vital importancia estudiar y comprender los posibles mecanismos de formación de la kesterita a través de estas técnicas para su posterior avance. En este trabajo, hemos implementado experimentos innovadores para demostrar la fuerte interrelación entre la disponibilidad de calcógeno (concentración de selenio o azufre) en el reactor de recocido, y la cinética de reacción de la kesterita. Se presenta el primer análisis cinético del proceso de selenización realizando procesos de tratamiento térmico en rampa lenta (conventional thermal process, CTP) y rampa rápida (rapid termal proccesing, RTP). Como muestra la Figura 1, en el intervalo bajo-medio de disponibilidad de calcógeno, la kesterita se forma siguiendo una reacción cinética de pseudo-orden cero que evoluciona hacia una de primer orden a tiempos de recocido más largos, y que está principalmente controlada por la reacción química de fases binarias metal-selenio. Al aumentar la disponibilidad del calcógeno, la cinética se identifica como de primer orden, que evoluciona hacia una reacción más simple entre el compuesto ternario Cu2SnSe3 y ZnSe (Figura 1). De todos modos, si bien esta parece ser la ruta principal, los resultados muestran que, aunque en un grado marginal, la ruta que involucra sólo compuestos binarios siempre está compitiendo con estos últimos. El análisis de fase se extiende al caso de kesteritas de puro azufre (Cu2ZnSnS4), mostrando las similitudes y diferencias de ambos procesos de calcogenización. Este trabajo amplía la comprensión de las reacciones de formación y abre perspectivas interesantes para mejorar la síntesis de compuestos cuaternarios de kesterita.