Sección E - Temas de Investigación - LIFyCS

Sección E - Temas de Investigación - LIFyCS

Laboratorio de Innovación Fotovoltaica y Caracterización de celdas
Solares – LIFYCS – Proyecto Laboratorio CONACYT 123122
Sección E:
Desarrollo de materiales para celdas solares- CuInSe2
Grupo: Arturo Fernández Madrigal IER-UNAM
Las actividades a realizar en el primer año (2011) se pueden resumir en lo
siguiente:
Obtención de CuInSe2 y CdS por métodos físicos y químicos; preparación por
electro-depósito y tratamiento térmico de materiales absorbedores Cu(Ga,In)Se2
(CGIS) Adaptación del sistema de Sputtering para el depósito de las películas de
Mo sobre substratos de vidrio soda-lima, que será utilizadas como sustratos.
Puesta en marcha el equipo de selenización, con el cual se podrá realizar la
recristalización del compuesto de CGIS.
Reporte:
La estructura fotovoltaica más utilizada para construir una celda de CIGS, se
muestra en la figura 1, donde también se muestra espesores típicos.
Figura. 1.- Estructura común de una celda solar empleando CIGS como
absorbedor.
Bajo esta configuración, se reportaran los resultados más importantes encontrados
durante la experimentación en la elaboración de cada una de las películas que
constituye la estructura propuesta. A continuación se describe algúnos de los
resultados más importantes obtenidos en esta etapa.
Para crear la película del contacto inferior y superior se utilizó un sistema de
pulverización catódica con fuente de campo magnético, el equipo utilizado es el
Balzer BAE 250. El cátodo está diseñado para soportar un blanco circular de 2.54
cm de radio. La distribución de las líneas de flujo magnético 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 presión de depósito, la
presión de vacío y la corriente de depósito.
Ante una prueba de depósito de Mo con una distancia de 6.5 cm del blanco al
substrato, una presión de depósito de 6.3x 10-3 mbar y corriente de 100 mA, se
identifica una variación en el espesor de la película de ±5 % en la superficie que
se encuentra justamente abajo del área del blanco. Existe también depósito de Mo
en un área mayor a la del blanco debido a que el átomo arrancado por el ion de
Argón sufre colisiones con otros átomos durante el trayecto hacia el substrato que
lo desvían hacia una área mayor respecto a la del blanco, sin embargo, a mayor
área el decremento del espesor es muy significativo. En la figura 1, se muestra un
esquema del sistema de pulverización catódica.
Figura 3, Esquema del sistema de sistema de pulverización catódica, mostrando la
zona de mayor desgaste del blanco y la disminución del espesor de la película.
Parámetros de depósito del contacto inferior de Mo.
La presión de vacío se relaciona con el nivel de limpieza que tiene la cámara antes
de suministrar Argón, el valor de esta presión es muy importante para tener una
atmósfera inerte al momento de realizar la pulverización. El tiempo necesario para
alcanzar determinado valor de presión está relacionado con el volumen de
cámara, la capacidad de la bomba y del adecuado sellado del sistema.
Una forma de comparar la desviación provocada por imperfecciones o defectos en
la estructura de la película depositada respecto a la película estándar, es mediante
la comparación del parámetro de red. La estructura del Mo es del tipo cúbica
centrada en cuerpo con parámetro de red estándar ao =3.1472 Å, el parámetro de
red de la película depositada se calculó a partir de la distancia entre planos para la
dirección (110) obtenida mediante el análisis de rayos X, los resultados se
muestran en la tabla 1 en función de la presión de vacío.
Tabla 1. Efectos de la presión de vacío de la cámara sobre la desviación de los
parámetros de red para el depósito de Mo, corresponde a los difractogramas b), c)
y d) de la figura 4.
Presión de vacío
(mbar)
Parámetro
de
red Diferencia del parámetro de
calculado con dirección red calculado respecto al
(110) (Å)
estándar (%)
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 está determinado por el voltaje y la
corriente entre cátodo y ánodo, en este equipo se tiene la posibilidad de variar la
corriente en el rango de 0-150 mA. El tiempo de depósito es la variable a utilizar
para obtener el espesor de película deseado, la razón de depósito 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 película ante
distancia ánodo-cátodo y presión de depósito fija.
Muestra Corriente Distancia
cátodo-ánodo
(mA)
(cm)
Presión de Crecimiento
Resistividad
depósito
de
película
Ω.cm
(mbar)
(nm/min)
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
Análisis morfológico de la película depositada.
La morfología de la película obtenida por microscopio electrónico de barrido (SEM
por sus siglas en inglés) depositada a 120 mA, 4.5 cm y 4 x 10-3 mbar, en la figura
6a y 6b se identifica que la película 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 diámetro.
(a)
(b)
(c)
Figura 6. Imágenes de SEM de la película depositada a 120 mA, 4.5 cm y 4 x 103mbar. a) morfología superficial, b), se muestran los granos columnares, c) vista
de perfil
Construcción de cámara de recocido en atmosfera de selenio.
El recocido de una celda elaborada por electrodepósito es el proceso mediante el
cual se recristaliza y se incrementa el tamaño de grano del absorbedor CIGS. Este
proceso es común realizarlo utilizando atmósfera de Selenio, se puede usar como
precursor el H2Se (ácido selenoso) o Selenio elemental. Debido a que el H 2Se
altamente tóxico, la mayoría de los grupos de investigación que requieren de este
proceso utilizan evaporación del Selenio en su estado elemental. En la siguiente
figura se muestra las principales características de la cámara que sera empleada
para el recocido de las películas de CIGS y la cual es de forma circular con 18 cm
de diámetro y 40 cm de altura, incluyendo tapas y base
Lámpara calefactora
Evaporador de Selenio
Conexiones para
evacuar la cámara
Portaceldas
Conexiones para vacío y
medir presión.
Conexiones para
sensores
Figura. Las principales características de la cámara que es de forma circular con
18 cm de diámetro 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
presentación tuvo como finalidad el mostrar las características y alcances del
equipo de análisis por plasma inducido (ICP por sus siglas en inglés) a posibles
usuarios asociados al proyecto LIFYCS, la portada de la presentación fue la
siguiente:
Taller sobre análisis de composición química por plasma inducido ICP-OES
1.- Principios y la Instrumentación
2.- Parámetros instrumentales
3.- Métodos para el Desarrollo de Estrategias
4.- Selección de longitudes de onda
5.- Optimizacion de parámetros
6.- Interferencia de espectros
7.- Sesión de prácticas.
Esquema del sistema ICP-OES
2do año (2012)
Elaboración de películas de Cu(In,Ga)Se2 mediante la técnica del electrodeposito,
utilizando los diversos baños electrolíticos propuestos para su formación, con los
diversos aditivos para el mejoramiento del tamaño de grano. Crecimiento de
monocapas y bi-capas de CdS por las técnicas del depósito químico (CBD), y
caracterización de sus propiedades ópticas, morfológicas y estructurales.
Las actividades durante este segundo año continuaron
Películas de molibdeno
Se ha logrado establecer una metodología para el depósito de películas de Mo
empelando un sistema de pulverización catódica de corriente directa con un
blanco de Mo de 0.3 mm de espesor. La película de Mo se empleará como
contacto inferior. La mejor resistividad que se ha obtenido es de 7x10 -5 Ω cm. las
películas se han depositado variando los siguientes parámetros: presión de vacío,
corriente de depósito, presión de depósito, distancia de cátodo al substrato. Para
el proceso de depósito de las películas de Mo se están utilizando los siguientes
parámetros. Las películas de Mo se han caracterizado mediante XRD, SEM,
reluctancia especular y resistividad por método de 4 puntas. En la figura 3, se
muestra de reluctancia.
100
Reflectancia especular (%)
80
60
40
Datos de depósito
-3
100 mA, 5.4x10 mbar, 6.5 cm.
-3
100 mA, 5.4 x10 mbar, 4.5 cm
-3
120 mA, 4.0 x10 mbar, 5.5 cm
20
0
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
Longitud de onda (nm)
Figura 3. Características de la reflectancia especular
•Nivel de presión de vacío de al menos 1.4 x10-5 mbar.
•Altura cátodo-substrato de 7.2 cm
•Corriente de depósito de 75 mA.
Películas de CIGS
Se ha implementado una metodología para co-electrodepositar películas del
absorbedor CIGS en una celda electroquímica que se ha diseñado con electrodos
horizontales, con esta celda se obtienen películas con composición más
homogénea y morfología más uniforme respecto a las películas que se obtienen
con la celda electroquímica de electrodos verticales. El co-electrodeposito se ha
realizado a partir de un baño que contiene iones de Cu, Ga, In y Se. Las películas
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 difracción
de rayos X de la película tal como ha sido depositada.
500
PDF#35-1102 CuIn0,7Ga0,3Se2
Intensidad (u. a.)
400
PDF#35-1120 Mo
300
200
100
(a)
(116)
(220)
(110)
(112)
(101)
Intensidad (%)
0
100
50
0
20
30
40
50
2deg)
60
70
80
(b)
Figura . Características de las películas de CIGS, (a) morfología superficial, y (b)
difracción de rayos X con haz rasante de 1.5°.
Proceso de selenización
Se ha terminado el diseño y construcción de un sistema para realizar el proceso
de recocido de las películas de CIGS que forman parte de la estructura
vidrio/Mo/CIGS. Se ha realizado el proceso de recocido sin utilizar evaporación de
Se y utilizando evaporación de Se. El proceso de recocido se ha realizado
variando la temperatura, presión y tiempo de recocido, así como la razón de
incremento y decremento de la temperatura. Se ha determinado que para
mantener la composición de Se en la película se necesita su evaporación en cada
proceso de recocido. Se están utilizando 3 mg de Se en polvo por cada proceso
de selenización. Las películas de CIGS que se han sometido al proceso de
recocido se han caracterizado mediante XRD, SEM y análisis de composición por
ICP-OES. En la siguiente figura, se muestra un esquema del sistema de
selenización y una imagen de la morfología transversal de la película de CIGS que
se ha sometido al proceso.
6
5
2
1
10
4
8
3
CIGS
7
9
11
14
17
12
Mo
16
13
Figura (a) sistema de selenización y (b) morfología transversal de la estructura
vidrio/Mo/CIGS
Películas de ZnO:Al e In2O3:Sn
Se ha empleado un sistema de pulverización catódica de radiofrecuencia con un
blanco de ZnO/Al2O3 con 90/10 de porcentaje en peso para depositar películas de
ZnO:Al que se utilizarán como contacto transparente. Se ha analizado el efecto de
variar la potencia, presión de vacío, presión de depósito, y distancia del cátodo al
substrato en las características de la película para obtener aquellas condiciones
donde las películas tengan las mejores características respecto a estructura,
transmitancia y resistividad. Las películas 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 Ω cm, las
mediciones de transmitancia arrojan valores promedio de hasta 92% con películas
300 nm de espesor en el rango de 450 a 1100 nm. En la figura 6 se muestran la
evolución de la estructura al variar la potencia durante la pulverización catódica,
en la misma figura se muestran los valores de resistividad, movilidad y densidad
de portadores ante la misma variación.
5000
9
-3
Densidad de portadores, n (x10 cm )
Pot=160 W
0
40
50
60
70
80
(101)
30
(112)
(103)
(110)

0
150
0
20
6
PDF#36-1451
(102)
50
3

(002)
(100)
100
9
30
40
50
60
70
80
200
40
2
Movilidad, cm /Vs)
Pot=200 W
20

6
-3
2000
12
19
Pot=240 W
3000
Resistividad,  (x10 cm)
Intensidad (u. a)
50
n
1000
Intensidad (u. a)
15
Pot=280 W
4000
30
20
10
3
300
250
Potencia (W)
2 (grados)
Figura Características de las películas de ZnO:Al en función de la potencia de
depósito (a) evolución de la estructura, y (b) resistividad, movilidad y densidad de
portadores.
1600
100
1400
ITO, menor tranmitancia
ITO, mayor tranmitancia
PDF 01-089-4598 In1,88Sn0,12O3
80
-5
1,9 x10 mbar
-5
4.0 x10 mbar
-5
8.0 x 10 mbar
-4
2.2 x 10 mbar
Intensidad (u.a)
Transmitancia (%)
1200
1000
800
600
400
200
0
60
300
400
500
600
700
Longitud de onda (nm)
800
900
1000
10
20
30
40
50
60
70
2 (grados)
Figura. Características de las películas de In2O3:Sn, (a) transmitancia en función
de la presión de vacío, y (b) estructura para la zona de menor y mayor
transmitancia.
Películas de CdS
Las películas de CdS se utilizarán como material tipo n para formar la unión con el
material absorbedor. Se han formado películas mediante baño químico utilizando
los conocimientos generadores por el IER-UNAM en este tipo de películas. Se han
estado creciendo películas con la formulación de baño químico que se muestra en
la tabla 1. La temperatura del baño fue de 80 C y en una hora se obtuvo un
espesor de 100 nm.
Tabla 1. Formulación del baño químico para crecer películas de CdS
Reactivo
Concentración
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 películas se han caracterizado por transmitancia y fotorespuensta. En la
figura 8 se muestra la fotorespuesta de estas películas ante una intensidad de
1000W/m2 que se obtiene de una lámpara de halógeno. En la siguiente también se
muestra la transmitancia de la estructura CdS/i-ZnO/ZnO:Al que se compara con
el espectro solar normalizado. Los espesores de las películas son 100, 100, y 300
nm respectivamente.
100
100
1E-4
80
80
Transmitancia (%)
Corriente (A)
1E-6
1E-7
1E-8
1E-9
Prueba a 50 V
Prueba a 75 V
1E-10
1E-11
0
200
400
600
800
Tiempo (seg)
1000
CdS/ZnO/ZnO:Al_a
CdS/ZnO/ZnO:Al_b
Irradiancia
60
60
40
40
20
0
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
Irradiancia normalizada (%)
1E-5
20
1200
Frecuencia (nm)
(a)
(b)
Figura Características de las películas de CdS, (a) fotorespuesta, y (b)
transmitancia de la estructura CdS/i-ZnO/ZnO:Al.
3er año (2013 a la fecha)
Descripción de la Actividad:
Estudio y determinación de los parámetros de la estructura fotovoltaica como
función del tamaño de grano del absorbedor CGIS. Dicho estudio consistirá en el
estudio de las características de la unión CGIS/CdS, mediante microscopia de
barrido y de transmisión, así como estudios de composición morfología.
Durante este último periodo se ha trabajo intensamente sobre el tratamiento de las
películas de CIGS, mediante la cámara de selenizacion. El propósito fundamental
que se requiere es el de lograr la completa formación de granos con tamaños de
aproximadamente 1 a 1.5 µm. Con los resultados hasta ahora alcanzados se ha
logrado solo la parcial formación de dichos granos, es decir que de obtener una
morfología compacta y granular con microfracturas, después del tratamiento se
logra el crecimiento de granos mayores de aproximadamente 1 µm de altura pero
rodeado de material granular pero no completamente bien desarrollado, como se
muestra en siguiente microfotografía.
(a)
(b)
Figura. Microfotografía de películas CIGS, elaboradas por electrodepósito,
tratadas térmicamente en atmosfera de selenio, (a) vista lateral, (b) vista de frente.
El sustrato es vidrio/Mo.
Se continua trabajando en la preparación y crecimiento de dichas películas,
modificando las condiciones de selenizacion, con el objetivo de logran una mayor
homogenización de los granos de dicha película. 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 formación de posibles compuestos que
impidan el crecimiento de granos de mayor tamaño.
Con relación a el crecimiento de las películas de Mo, CdS, y ZnO:Al estas han sido
logradas con adecuadas características , similares a las reportadas por otros
grupos, y se encuentra en espera de obtener una película de CIGS adecuada para
construir y estudiar la hetero-union.
Los diversos resultados obtenidos en el desarrollo de este trabajo quedan
resumidos en la presentación de diversos trabajos presentados en diversos
congresos, los cuales a continuación 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
Métodos de depósito y análisis de materiales y celdas solares, abril 2013.
Determinación de la composición de películas de CIGS por ICP, noviembre 2013
Caracterización y análisis por SEM-EDS de películas de CIGS por la técnica de
electrodepósito, noviembre 2013
Depósito de películas de ZnO:Al preparación y caracterización, noviembre 2013
Asi mismo se ha preparado un manuscrito para su posible publicación a la Revista
Journal of Materials Science: Materials in Electronics.
Desarrollo de celdas solares DSSC
Grupo: Antonio Jiménez - IER
Primer año (2011):
Optimización en los procesos de preparación de celdas Graetzel con TiO2
nanoestructurado de alta conductividad eléctrica; continuación de preparación y
caracterización de
celdas solares del tipo Conductor Tranparente/ TiO2
nanoestructurado/ Colorante de rutenio/ electrolito/Conductor transparente.
Durante esta etapa se continuó trabajando en el desarrollo de películas
nanoestructuradas, compactas y mesoporosas de TiO2 preparadas por los
procesos de depósito químico sol-gel y proceso hidrotermal. Se mejoró el proceso
de síntesis en el proceso hidrotermal cambiando algunos catalizadores de la
hidrólisis del isopropóxido de titanio. Se disminuyó ligeramente el tamaño de
nanopartícula de TiO2 (5-10 nm) y se optimizaron los procesos de tratamiento
térmico, a partir de los cual se obtuvieron películas nanoestructuradas y
mesoporosas de TiO2 de alta fotosensivilidad (10 2-103) y fotoconductividad
eléctrica. Asimismo se optimizó el proceso de tinción de la capa de TiO2 con el
colorante de Rutenio N-719. Nuevamente se realizó el ensamblado de la celda
solar en la configuración Conductor Tranparente/ TiO2 nanoestructurado/
Colorante de rutenio/ electrolito/Conductor transparente, por medio de lo cual fue
posible alcanzar una la eficiencia de conversión de la celda h = 1.9 %.
Segundo año (2012)
Desarrollo de prototipos de Celdas solares de tipo Conductor Tranparente/ TiO2
nanoestructurado/Colorante de rutenio/ electrolito/Conductor transparente.
Durante esta etapa se trabajó en la optimización del ensamblado de la celda solar
con el propósito de evitar fugas del electrolito (I-/I3-) en estado líquido, esto es, se
probaron varios materiales poliméricos como espaciador entre los electrodos de la
celda solar, se probaron varias técnicas de sellado, se trabajó en el sistema de
inyección del electrolito en la celda y se continuó trabajando en la optimización de
las capas compacta, mesoporosa y nanoestructurada de TiO2 alcanzando
mayores fotosensivilidades (103-104) y fotoconductividades. Con estas mejoras,
nuevamente se realizó el ensamblado de la celda solar en la configuración
Conductor Tranparente/ TiO2 nanoestructurado/ Colorante de rutenio/
electrolito/Conductor transparente, por medio de lo cual fue posible alcanzar una
la eficiencia de conversión de la celda h = 3 %.
3r año (2013- al a fecha):
Prototipo de celdas solares Graetzel
Prototipo de la celda solar en la configuración Conductor Tranparente/ TiO2
nanoestructurado/ Colorante de rutenio/ electrolito/Conductor transparente con
una eficiencia de conversión del la radiación en energía h = 3 %.
Fotografía de una celda solar tipo Graetzel (TiO2) con 3% de eficiencia
Desarrollo de celdas solares de polímeros y materiales hibridos
Grupo: Hailin Zhao Hu - IER
Primer año- 2011
Desarrollo de heteroestructuras basadas en politiofenos: CdS/P3OT, CdS/P3HT,
Bi2S3/P3OT. Estudios de mecanismos de transporte y recombinación mediante
mediciones de fotovoltaje y fotocorriente transitorios.
Se establecieron tres técnicas para el estudio de mecanismo de recombinación y
transporte de portadores de carga: 1. Fotoconductancia transitoria para medir el
proceso de recombinación de portadores de carga en materiales semiconductores
inorgánicos. 2. Técnica de tiempo de vuelo para estimar el tiempo medio de
recombinación de portadores de carga en semiconductores orgánicos en donde
las movilidades de portadores de carga son mucho menores que las de
semiconductores inorgánicos. 3. Método de fotovoltaije transitorio que determina la
rapidez de recombinación de portadores de carga en la interface de una
heterounión en una celda fotovoltaica.
Productividad Académica 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 Martínez, Mónica Castillo,
Mérida Sotelo, Maria Elena Nicho, Hailin Hu, 15-18 de agosto de 2011, Cancún,
Q.Roo, México.
International Conference on Materials Research, “SYNTHESIS AND
CHARACTERIZATION OF CADMIUM SULFIDE NANOPARTICLES”, C. Martínez
Alonso, Xavier Mathew, Hailin Hu, 15-18 de agosto de 2011, Cancún, Q.Roo,
México.
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.
Martínez, P.K. Nair, H. Hu, 15-18 de agosto de 2011, Cancún, Q.Roo, México.
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
páginas).
Narcizo Mendoza, Francisco Paraguay-Delgado, Liliana Hechavarría, 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.
Artículo 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 Física 57 (2011) 73-77.
Memoria en congreso:
Narcizo Mendoza, Liliana Hechavarría,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 año-2012
1)
Caracterización eléctrica y óptica de las películas delgadas utilizando
equipos de efecto Hall, mediciones a bajas temperaturas, fotorespuesta,
espectroscopía
UV-VIS
(brecha
de
energía),
mediciones de
fotoconductividad transitoria en materiales semiconductores, mediciones de
fotovoltaje y fotocorriente transitorios en celdas solares para estudiar los
fenómenos de transporte y recombinación de portadores de carga.
Se analizaron los procesos de recombinación de portadores de carga en celdas
fotovoltaicas híbridas de poli3-octiltiofeno (P3OT) con CdS en función de las
propiedades estructurales y optoelectrónicas de las películas de CdS depositadas
por el método de baño químico. La temperatura de la solución de depósito fue 60
u 80°C y el tiempo de depósito, de 1 a 3 horas. Los tiempos de recombinación de
portadores de carga en las películas de CdS fueron determinados por la técnica de
decaimiento de fotoconductancia, mientras que el mismo parámetro en las
películas de P3OT fue estimado por el método de tiempo de vuelo. Por último, el
tiempo de recombinación de portadores de carga en la interface entre CdS y P3OT
fue medido por la técnica de fotovoltaje transitorio. Se han encontrado que las
películas de CdS crecidas a un menor temperatura 60 °C, en comparación con las
de 80 °C, dan una mayor rapidez de recombinación de portadores de carga en la
interface CdS/P3OT una mayor fotocorriente y eficiencia de conversión luzelectricidad. Esta mejoría se debe la reducción de la densidad de trampas de
portadores de carga dentro de los granos y en las fronteras de los mismos en las
películas de CdS depositadas a bajas temperaturas.
2)
Optimización y caracterización de prototipo de celdas solar basada en
poli-3 alquiltiofenos con semiconductores inorgánicos.
Uno de los problemas que causan la baja eficiencia de las celdas solares
poliméricas es el contacto metálico colocado encima del polímero conductor poli3hexiltiofeno (P3HT) o poli3-octiltiofeno (P3OT) para extraer la fotocorriente.
Tomando la experiencia del uso de pintura de carbono en celdas solares
inorgánicas de otros colegas del proyecto LIFyCS (P.K.Nair y sus colaboradores)
se hizo un estudio sobre el efecto de la colocación de la pintura de carbono en el
desempeño fotovoltaico de las celdas solares de CdS/P3HT. Se comprobó que el
uso de dicha pintura se duplica el fotovoltaje y, por lo tanto, la eficiencia de
conversión luz-electricidad de las celdas poliméricas.
Productividad académica de la etapa
Hugo Cortina, Claudia Martínez-Alonso, Mónica 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. Hechavarría, N. Mendoza, M.E. Rincón, 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 Ramírez Morales, “Depósito de capas nanométricas de óxidos metálicos
mediante la técnica de ALD para su aplicación 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 MarcoTulio, Erik R.Morales, Rogelio Moran Elvira, Zhao Hailin Hu, 12-17 de agosto de
2012, Cancún, Q.Roo, México.
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,
Cancún, Q.Roo, México.
International Conference on Materials Research, “Core-shell CdSe/CdS
nanoparticles for solar cell applications”, Selene Coria, Mérida Sotelo, Claudia
Martínez, Hailin Hu, 12-17 de agosto de 2012, Cancún, Q.Roo, México.
International Conference on Materials Research, “SOLUTION SYNTHESIZED CdS
NANOPARTICLES FOR CdS:P3HT SOLAR CELL APPLICATIONS”, C. Martínez
Alonso, Erik R. Morales, M. C. Arenas, M. E. Nicho, Hailin Hu, 12-17 de agosto de
2012, Cancún, Q.Roo, México.
Tercer año-2013
Prototipo de celdas fotovoltaicas poliméricas;
Las celdas solares híbridas de CdS/P3HT fueron preparadas con diferentes
técnicas de colocación de las capas activas: (1) Estructura de películas delgadas,
en donde se coloca primero la película de CdS seguido por el depósito de la
película de P3HT. (2) Estructura de bicapa-rugosa, en donde se colocan las
nanopartículas de CdS por spin-coating o goteo, y luego cubrir estas partículas
con solución de P3HT. (3) Estructura de bulto, en donde se mezclan las
nanopartículas de CdS con la solución de P3HT, y la solución 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 está mejorando el proceso de la síntesis de las
nanopartículas de CdS y como consecuencia la miscibilidad entre éstas y la
solución P3HT. Se espera que las futuras celdas poliméricas se preparan con la
estructura de bulto.
Productividad académica
Tesis de maestría: “Depósito de capas atómicas de óxidos metálicos para su
aplicación en celda solares híbridas”, por Marco Tulio Aguilar Gama, Maestría en
Ingeniería (Energía), UNAM. Fecha del examen: 27 de septiembre de 2013.
Tesis de Doctorado: “CELDAS SOLARES HÍBRIDAS CON POLI(3ALQUILTIOFENOS)”, por Hugo Jorge Cortina Marrero, Doctorado en Ingeniería
(Energía), UNAM. Fecha tentativa del examen: febrero de 2014.
Artículos de investigación:
M. T. Aguilar-Gama, Z. Montiel-González, E. Ramírez-Morales, A. MendozaGalván and Hailin Hu*, “Morphology and optical properties of ZnO thin films
prepared by low temperature atomic layer deposition”, enviado.
C. Selene Coria-Monroy, Claudia Martínez-Alonso, M. Sotelo-Lerma, José Manuel
Hernández, Hailin Hu*, “Stabilizer-free CdSe/CdS core/shell particles from onestep solution precipitation and their application in hybrid solar cells”, enviado.
Claudia Martínez-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 Ramírez-Morales, Z. Montiel-González, A. MendozaGalván, Mérida 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. Martínez-Alonso, L. Hechavarría-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
páginas). 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 Martínez-Alonso, Selene Coria,
Ma. Concepción Arenas, Hailin Hu, 3-7 de noviembre de 2013, Cancún, México.
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 Martínez,
Mérida Sotelo-Lerma, M. Elena Nicho, Hailin Hu, 5-8 de mayo de 2013, Sevilla,
España.
5th International Conference on Hybrid and Organic Photovoltaics, “SYNTHESIS
OF CdS NANOPARTICLES BY MICROWAVE ASSISTED SOLUTION METHOD”,
Claudia Martínez-Alonso, Carlos A. Rodríguez Castañeda, Paola Moreno Romero,
Hailin Hu, 5-8 de mayo de 2013, Sevilla, España.
2° Simposio Internacional sobre Energías Renovables y Sustentabilidad,
“Morphological and optical properties of Al2O3 layers deposited by ALD”, M.Tulio
Aguilar-Gama, Erik Ramírez-Morales, Zeuz Montiel-González, P.K.Nair, Hailin Hu,
21-23 de marzo de 2013, Temixco, Morelos, México.
Desarrollo de Películas delgadas de Cu2ZnSnX4 (X=S, Se) para
celdas solares por depósito químico
Grupo Dra. M. T. Santhamma Nair
Años 2011-14
Aquí presentan los avances en las investigaciones para la formación de
películas delgadas de Cu2ZnSnS4 (CZTS) y Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) a través del
tratamiento térmico de multicapas de SnS-CuS-ZnS, ZnS-SnSe-CuSe, depósito de
capas metálicas sobre dichos calcogenuros y modificaciones en las condiciones y
técnicas de depósitos de películas delgadas de SnS, SnSe u otras películas para
mejorar la adherencia de las multicapas. Se desarrollaron películas delgadas
semiconductoras de óxidos 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 películas delgadas,
se desarrollaron celdas solares en configuraciones de superestrato y substrato.
Los avances y logros alcanzados en estas actividades están resumidos en los
siguientes párrafos.
El tratamiento térmico 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), resultó en películas delgadas de Cu 2ZnSnS4 con mejor
cristalinidad (16 – 20 nm de tamaño de cristal) evitando la perdida de material por
sublimación y la formación de SnS2. El pre-tratamiento de las multicapas de SnSCuS a 300 oC no resulta en la formación de compuestos ternarios en las
multicapas. Los picos de las vibraciones características de Cu2ZnSnS4 ubicados
en 287 cm-1, 337 cm-1 y 367 cm-1 del espectro de Raman de la película, corroboró
los resultados del análisis de estructura cristalina por difracción de rayos X (DRX)
de las películas formadas. Las películas presentan conductividad eléctrica tipo p
entre 0.3 - 0.14 (Ω cm)-1, y la brecha de energía Eg se encuentra
aproximadamente en 1.4 eV debido a la transición directa. Estas características
son semejantes a las conductividades y Eg típicas que muestran las películas
absorbedoras de las celdas solares. En este estudio observamos que para obtener
multicapas de SnS-CuS, sin desprendimiento, las películas delgadas de SnS
deben depositarse a temperatura de 25 oC o menos. Las películas de SnS recién
depositadas son compactas con estructura cristalina cúbica (Cub-SnS) y tienen Eg,
de 1.66 eV, y conductividad eléctrica del orden de 10-7(ohm cm)-1. Las películas
crecen en forma de hojuelas verticales a partir de una temperatura de depósito de
35 °C, mostrando estructura cristalina ortorrómbica (OR-SnS), la brecha de
energía de 1.1 eV y conductividad eléctrica de 10-4 (Ω cm)-1.
En el caso de las películas delgadas de Cu2ZnSnSe4, observamos que la
formación del compuesto cuaternario ocurre al someter las multicapas de películas
delgadas SnSe-Cu2-xSe-Zn, depositadas secuencialmente, a un tratamiento
térmico en atmosfera de N2 a 400 oC durante 1, 2 y 3 h. Las películas exhiben una
estructura cristalina tetragonal (a: 0.56 nm y c: 1.13 nm) con picos de difracción de
rayos X que corresponden a los planos (112), (204), (312), (008) y (316) de
(Cu2ZnSnSe4), un tamaño promedio de cristal de 18 nm, la brecha de energía de
1.59 – 1.36 eV y conductividad tipo p. Los patrones de DRX y los análisis de
composición por EDS muestran la presencia de otros componentes, tales como
Zn, ZnSe, etc., que no reaccionaron en la película. La película de SnS (200nm) y
Zn (100 nm) fueron depositadas por evaporación térmica y la de Cu 2-xSe fue
depositada a partir de un baño químico mantenido a 40 oC.
Otras películas delgadas que desarrollamos en el tercer año del proyecto fueron
de los óxidos, SnO2 y ZnO, los cuales tienen brechas de energía amplias que
pueden ser utilizadas como capas ventanas y conductoras transparentes en las
celdas solares. Las películas delgadas de SnO2 obtenidas por tratamientos
térmicos de las películas 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 morfología
de hojuelas verticales, estructura cristalina tetragonal semejante a casiterita, una
brecha de energía 3 eV y conductividad tipo n- del orden de 10-1 (Ω cm)-1. En el
caso de las películas delgadas de ZnO, utilizamos los métodos de sputtering, spincoating de nano-cristales, depósito químico directo de un baño de solución, y la
conversión de películas delgadas de ZnS obtenidas por depósito químico. Las
películas de ZnO de 100 nm obtenidas por sputtering muestran estructura
cristalina semejante a wurtzita, una brecha de energía de 3.15 eV, y conductividad
eléctrica entre 10-5 y 10-7 (Ω∙cm)-1.
Se desarrollaron varias estructuras fotovoltaicas utilizando las películas delgadas
desarrolladas
en
el
proyecto
en
este
año.
En
la
estructura
TCO/CdS(100nm)/SnS(Cub u OR 600 nm), con la película 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 película de OR-SnS Voc de 270 mV y Jsc de
1.1 mA/cm2. Se fabricó la celda solar utilizando los procesos de sputtering para las
películas de Cr y Mo, ZnO y ZnO:In; el depósito químico para la película 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 año del proyecto nos enfocamos en: confirmar la formación y
adecuar las propiedades de las películas delgadas de Cu 2ZnSnS4 (CZTS) y
Cu2ZnSnSe4 (CZTSe), un mayor entendimiento de la dependencia de la estructura
cristalina y otras propiedades de las películas delgadas de SnS con la temperatura
de depósito del baño químico, optimizar las condiciones de depósito de películas
delgadas de SnSe para asegurar la reproducibilidad y obtener películas delgadas
de óxidos de metales con brechas de energía 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. Así mismo, concurrente a los avances en las películas
desarrollamos también celdas solares utilizando dichas películas absorbedoras y
las ventanas/buffer de óxidos de metales.
Películas delgadas de sulfoestanatos de cobre-zinc, CZTS: La adherencia de las
multicapas de SnS-CuS-ZnS se mejora cuando se depositan las películas
delgadas de SnS a partir de baños químicos mantenidos a temperaturas < 25 oC y
se realiza un tratamiento térmico a la capa de SnS-CuS antes de depositar la capa
de ZnS por el método de baño químico. Se observa también, que es importante el
tratamiento térmico de SnS-CuS-ZnS a 460 ºC en 10 Torr de atmosfera de Ar, en
la presencia de polvo de SnS-S para mejorar el tamaño de cristal de la película de
CZTS y minimizar la pérdida de CZTS vía su disociación y subsecuente
sublimación de SnS y S durante el tratamiento térmico. Obtuvimos también la
formación de CZTS en las multicapas obtenidas por la combinación de
evaporación térmica y deposito químico, por ejemplo, utilizando el arreglo de SnS
(210 nm, depósito químico, CD) + CuS (90 nm, CD) + Zn (50 nm, evaporación
térmica, TE). Las películas de CZTS obtenidas muestran estructura tetragonal de
Cu2ZnSnS4 semejante al mineral kesterita, con tamaño 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 determinación de la estructura cristalina de CZTS, por esto, para corroborar
nuestro resultado de difracción de rayos X, utilizamos el espectro de Raman de las
películas, lo cual muestra picos de vibraciones a 287 cm -1, 337 cm-1 y 367 cm-1
que corresponden a los vibraciones simétricas de Cu 2ZnSnS4. Así, avanzamos en
el desarrollo de las películas delgadas de CZTS, generando nuevos conocimientos
en los aspectos de los depósitos de multicapas, tratamientos térmicos,
coexistencia de las fases secundarias y características estructurales. En las
estructuras de vidrio/Mo (o a acero inoxidable /CZTS/CdS(70 nm)/ZnO/ZnO:Al, en
donde utilizamos una combinación de evaporación y depósito químico para
obtener la multicapa precursora -SnS(TE-200nm)/Cu(TE-75nm)-ZnS (100 nm,
CD)- se observó efecto fotovoltaico dando un voltaje de 6 mV. El tamaño de
cristal de entre 16 y 20 nm es relativamente pequeño para la aplicación que se
requiere, por lo que es necesario analizar las condiciones experimentales para
incrementar su tamaño.
Películas delgadas de SnS: se observó que la transición del cambio de estructura
cúbica-ortorrómbica es observada cerca de la temperatura de depósito de 35 °C,
consideramos es un conocimiento importante respecto a dichas películas ya que
forman un componente importante en el desarrollo de CZTS, debido a que las
películas delgadas de SnS cubica son compactas y más adherentes. Empleando
éstas películas, se desarrollaron celdas solares con TCO/CdS(100nm)/SnS(Cub u
OR 600 nm), obteniéndose valores de Voc de 230 mV y Jsc de 1 mA/cm2
utilizando la película de Cub-SnS y para las películas de OR-SnS se obtuvo un
Voc de 270 mV y Jsc de 1.1 mA/cm2.
Películas delgadas de Cu2ZnSnSe4: por primera vez, obtuvimos la formación 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
evaporación y la de Cu2-xSe por depósito químico. Los análisis por DRX muestran
picos que corresponden a Cu2ZnSnSe4 con estructura cristalina tetragonal (a:
0.56 nm y c: 1.13 nm) con un tamaño promedio de cristal de 18 nm, lo cual no se
cambia con la duración de tratamiento térmico. La película que contiene un exceso
de Zn, determinado por EDS, tiene brecha de energía de 1.36 - 1.59 eV y
conductividad tipo p. Estos resultados fueron alentadores para el desarrollo del
proyecto. Se utilizó el método evaporación como una alternativa mientras
estábamos resolviendo el problema de la reproducibilidad en el depósito químico
de películas delgadas de SnSe.
Películas delgadas de SnSe: se tuvo un buen avance logrando obtener películas
de buena adherencia y con reproducibilidad en los depósitos por baño químico.
Las películas obtenidas son cristalinas de estructura ortorrómbica con tamaño de
cristal de 20 nm y brechas de energía de 0.8 -1.2 eV con conductividad eléctrica
del orden de 10-3 a 10-1 ohm-1 cm-1 (tipo-p). Este éxito en la reproducibilidad en el
depósito químico de las películas delgadas de SnSe es importante en el desarrollo
de las películas delgadas de CZTSe.
El uso de las películas 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 η de
0.9%. Para esta se utilizó el método de evaporación para obtener películas de
SnSe.
Por otra parte avanzamos también en el desarrollo de películas delgadas de
oxidos de estaño y zinc para utilizarlas como componentes ventanas/buffers y
recubrimientos de conductores transparentes en celdas solares con las películas
absorbedoras formadas en el proyecto. Con los tratamientos térmicos a
temperaturas de 400 °C - 500 °C de las películas de OR-SnS obtuvimos las
películas delgadas de SnO2 con estructura tetragonal, brecha de energía 3 eV y
conductividades del orden de 10-1 (Ω cm)-1. Aplicando dichas películas 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 películas delgadas de óxido de zinc fueron
depositadas por diferentes métodos. Las películas obtenidas por sputtering de
blancos de ZnO en condiciones óptimas encontrados en este trabajo, muestran
que la brecha de energía es 3.15 eV y la conductividad eléctrica entre 10 -5 y 10-7
(Ω∙cm)-1. También se obtuvieron películas de ZnO a partir de la oxidación de una
película delgada de ZnS, por depósito de nanopartículas por spin coating y
también se obtuvo una película delgada de ZnO por depósito químico directo. Se
utilizaron las películas 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 académicos y/o divulgación:
Parte de los resultados en las películas 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 análisis
de composición química y propiedades estructural, ópticas y eléctricas de las
películas delgadas de SnS, se elaboró un artículo, “Evolution of crystalline
structure in SnS thin films prepared by chemical deposition”, el cual esta enviado a
la revista Solid State Sciences. Así mismo los resultados en películas 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”. Además estamos trabajando para enviar dos artículos más, 1 sobre la
película delgada de Cu2ZnSnS4 y otro sobre la película delgada de SnSe a
revistas indizadas de circulación internacional.
Formación de recursos humanos: Las cuatro alumnas de Posgrado de la
UNAM, Enue Barrios, Maricela Rebeca Aragón, Dalia Mason y Ana Rosa García
Angelmo, continuaron participando activamente en el proyecto. Sus programa
doctoral con tesis en temas relacionado al proyecto están en buen camino.
Esperamos que las tres de estas alumnas concluyan sus tesis y se graduarán en
el año 2013 o en el primer cuatrimestre del año 2014. Durante la segunda etapa,
Mario Landa, alumno de Licenciatura en Ing. Ambiental de UPMor, ingresó a
nuestro grupo del proyecto para realizar una estancia de Residencia Profesional,
colaborando en las investigaciones de depósito químico de selenuros de metales.
Rebeca Aragón, Ana Rosa García, y Enue Barrios se encuentran como co-autores
en los artículos mencionados anteriormente, y Dalia Mazón es coautor en otro
artículo enviado para su publicación. El alumno de la licenciatura, Mario Landa,
quién ingreso en el proyecto durante la segunda etapa, concluyo su tesina con el
título, “películas delgadas de óxido de zinc para aplicaciones en celdas solares,” y
obtuvo su grado de Licenciatura en Ingeniería en Tecnología Ambiental de la
Universidad Politécnica del Estado de Morelos. Las películas de ZnO es una capa
ventana que estamos planeando para utilizar en las celdas solares de las películas
delgadas absorbedoras de calcogenuros que pertenecen al tema de este proyecto.
Además, también 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 películas delgadas de óxidos de Zn, en la evaporación de
películas delgadas y en el desarrollo de celdas solares.
Se participó en dos congresos internacionales: (i) en el simposio C: Thin-Film
Compound Semiconductor Photovoltaics de la Reunión 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 Reunión internacional, “223rd
ECS Meeting in Toronto, Ontario, Canada (May 12-16, 2013).” En la reunión de
MRS participó el responsable técnico, otro académico participante del proyecto, y
la alumna Enue Barrios que presentó el trabajo, “Absorber thin films of SnSe in
solar cell structures.” En la reunión de ECS en 2013 participaron dos académicos
del proyecto y se presentó el artículo, “Absorber thin films of Cu2ZnSnS4 from
chemically deposited binary compounds,” en el cual, la alumna Rebeca Aragón
fue uno de los autores.
Análisis crítico y trabajo a futuro:
Nuestros esfuerzos en el desarrollo de las películas delgadas de estanatos de
composiciones ternarias y cuaternarias, las de sus precursoras de composición
binarias, y las de capas ventanas o conductoras transparentes resultaron en
conocimientos nuevos e importantes. Concurrentemente a los avances en las
películas delgadas, también mostramos su uso en celdas solares, sin embargo, es
necesario realizar más investigaciones en la optimización de las condiciones de
depósitos y tratamientos post depósito para obtener películas delgadas de
estanatos absorbedoras para la conclusión exitosa del proyecto.
Productividad global de los grupos IER en temas afines a LIFYCS
Artículos 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. Martínez, 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. Martínez-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.
12. Mathews, N. R. (2012). "Electrodeposited tin selenide thin films for photovoltaic
applications". Solar Energy 86(4): 1010-1016.
13. Mathews, N. R., C. Angeles-Chavez, et al. (2013). "Physical properties of pulse
electrodeposited lead sulfide thin films". Electrochimica Acta 99: 76-84.
14. Mathews, N. R., J. T. Benitez, et al. (2013). "Formation of Cu2SnS3 thin film by
the heat treatment of electrodeposited SnS-Cu layers". Journal of Materials
Science-Materials in Electronics 24(10): 4060-4067.
15. Mathews, N. R., C. C. Garcia, et al. (2013). "Effect of annealing on structural,
optical and electrical properties of pulse electrodeposited tin sulfide films".
Materials Science in Semiconductor Processing 16(1): 29-37.
16. Mazon-Montijo, D. A., M. T. S. Nair, et al. (2013). "Iron Pyrite Thin Films via
Thermal Treatment of Chemically Deposited Precursor Films". Ecs Journal of
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Tesis (2011 – 2013)
1. Becerra García, D. (2012). Heterouniones fotovoltaicas de silicio cristalino
formadas con películas delgadas de compuestos semiconductores. Posgrado
en Ingeniería (Energía), Universidad Nacional Autónoma de México.
Doctorado.
2. Capistrán Martínez, J. (2013). Celdas solares con película delgada de sulfuro
de antimonio. Posgrado en Ingeniería (Energía), Universidad Nacional
Autónoma de México. Maestría.
3. Elizalde Carillo, E. F. (2012). Efecto de potencial en la síntesis de películas
delgadas de plomo por el método de electrodeposito, Instituto Tecnológico de
Zacatepec. Licenciatura.
4. García Angelmo, A. R. (2011). Investigaciones de las características
fotovoltaicas de heterouniónes de películas delgadas de sulfuros de estaño
con capas ventana de diferentes calcogenuros. Posgrado en Ingeniería,
Universidad Nacional Autónoma de México. Maestría. Energía.
5. Gómez Romero, S. Y. (2011). Desarrollo de películas delgadas de bicapas de
CdS para aplicación en celdas solares, Universidad Politécnica del Golfo de
México. Licenciatura.
6. Martínez Anaya, H. B. (2011). Efecto de tratamiento térmico de las películas
delgadas de SnS depositadas electroquímicamente, Universidad Autónoma
del Estado de Morelos. Licenciatura.
7. Moreno García, H. (2011). Celdas solares de películas delgadas de sulfuros
de bismuto y de plomo por depósito químico. Posgrado en Ingeniería,
Universidad Nacional Autónoma de México. Doctorado. Energía.
8. Santos Magdaleno, S. d. l. L. (2012). Evaluación del desempeño energético de
sistemas fotovoltaicos basados en películas delgadas (Silicio Amorfo y Telurio
de Cadmio). Posgrado en Ingeniería (Energía), Universidad Nacional
Autónoma de México. Maestría.
9. Sayago Hoyos, J. J. (2011). Evaluación de parámetros de celdas solares por
depósito químico. Posgrado en Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de
México. Maestría. Energía.
10. Tamay Benítez, J. (2012). Formación de películas delgadas por compuestos
ternarios a base de Cu-SnS por el método de electrodepósito, Instituto
Tecnológico de Zacatepec. Licenciatura.
11. Teja, J. L. (2011). Caracterización de celdas solares, Instituto Tecnológico de
Zacatepec. Licenciatura.
12. Valencia Juárez, M. (2011). Estudio del comportamiento energético de un
sistema de 10.0 kw interconectada a la red local ubicada en el D.F., México.
Facultad de Ingeniería, Universidad Veracruzana. Maestría.
13. Angeles Ordoñez, G. (2012). Deposición y caracterización de películas de CdS
por la técnica de CSS para aplicaciones de celdas solares. Posgrado en
Ingeniería (Energía), Universidad Nacional Autónoma de México. Maestría.
14. Anguera Romero, E. (2013). Desarrollo de un árbol solar y métodos
asociados. Posgrado en Ingeniería (Energía), Universidad Nacional Autónoma
de México. Maestría.
15. Castro Gutiérrez, F. y. G. C., David Leonardo (2012). Aprovechamiento
cogenerativo de un pánel solar híbrido. Facultad de Ingeniería, Universidad
Nacional Autónoma de México. Licenciatura.
16. Colín García, C. (2012). Estudio del efecto de trampas sobre la eficiencia de la
celda solar de CdTe, mediante la técnica PICTS. Posgrado en Ingeniería
(Energía), Universidad Nacional Autónoma de México. Maestría.
17. Guerrero Hernández, A. y. R. M., José Alejandro (2012). Sistema de control y
monitoreo de un sistema fotovoltaico, Instituto Tecnológico de la Costa
Grande. Licenciatura.
18. Ixtlilco Cortés, L. (2012). Elaboración y caracterización de películas delgadas
de CdS impurificadas con Cu. CIICAP, Universidad Autónoma del Estado de
Morelos. Doctorado.
19. Ramírez Morales, E. (2011). Desarrollo de películas delgadas
nanoestructurado de dióxido de titanio y su modificación con metales nobles
para aplicaciones en celdas fotoelectroquímica. Otros Posgrados, UNAM.
Doctorado.
20. Sarracino Martínez, O. (2011). Desarrollo de celdas solares superiores
CdMgTe/CdS para su aplicación en celda solar tipo Tandem. Otros
Posgrados, Universidad Nacional Autónoma de México. Doctorado.
21. Zarco Quiróz, J. A. (2012). Estudiar el efecto del oxígeno en el ambiente y en
las propiedades de películas de CdTe depositadas por la técnica de CSS.
Posgrado en Ingeniería (Energía), Universidad Nacional Autónoma de México.
Maestría.
22. Velázquez Martínez, S. (2012). Desarrollo de celdas solares de TiO2
sensibilizadas con colorantes, Instituto Tecnológico 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) 64456453.
3. AgSb(SxSe1-x)2 thin films for solar cell applications, J.O. González, 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 Sb 2S3, 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 García Guillén, María 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 García G, G.A. Castillo, T.K. Das Roy, B. Krishnan, D.I. García
Gutiérrez 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 García G, G.A. Castillo, D. Avellaneda, J.A. Aguilar
Martínez,
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, 1419 August 2011, Cancun, Quintana Roo, México.
Participación 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
Formación de recursos humanos
1. Tesis de doctorado: “Desarrollo de estructuras fotovoltaicas tipo
CdS/AgSb(SxSe1-x)2 por medio de técnicas de baja toxicidad y costo”, M.C.
Jorge Oswaldo Gonzalez Garza, Augusto 2013.
2. Tesis de doctorado: Incorporación de la fase Co2SnO4 previamente
sintetizada en varistores cerámicos basados en SnO2 M.C. Josue Amilcar
Aguilar Martinez, Diciembre 2013.