CZTS

Capítulo 1. Visión General de las celdas solares basadas en CZTS.

Las celdas solares de Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) y las de Cu2ZnSnS4 (CZTS)  son muy parecidas debido a que utilizan estructuras de celda solar similares entre ellas, pero la eficiencia de las celdas solares basadas en CZTS sigue siendo significativamente inferior a la de las celdas solares CIGS. Conociendo que la única diferencia entre ambos es el material absorbente, la causa de la menor eficiencia de las celdas solares basadas en CZTS se puede reducir a los problemas asociados con los materiales basados en CZTS y sus interfaces relacionadas con el contacto de molibdeno (Mo) y la capa buffer de CdS [^[1]].

La cantidad de literatura relacionada con materiales a base de CZTS se ha expandido enormemente en los últimos años.

Junto con los avances, numerosos artículos se han publicado para resumir los progresos realizados en la comprensión de los materiales a base de CZTS. Sin embargo, una visión global de los principales problemas como los defectos profundos y de cola asociados con materiales a base de CZTS y sus interfaces relacionadas se ha trabajado muy poco.

1. . Situación actual de las celdas solares

Los materiales basados en CZTS, que cristaliza en la estructura kesterita, isoestructural, es una alternativa prometedora, debido a que presenta un “band gap” de 1-1.5 eV y un coeficiente de absorción elevado (~104 cm-1) [^[2]-^[3]]. Igualmente, el material se ha hecho objeto de investigación, ya que destaca por la ausencia de elementos tóxicos, lo que le proporciona un gran atractivo medioambiental, conjuntamente con un ahorro económico importante, debido a la incorporación de materias primas de bajo costo y abundantes en la corteza terrestre [^[4]-^[5]]. Además, se ha demostrado que la eficiencia de este tipo de celdas solares aumenta significativamente, sustituyendo parcialmente el azufre (S) por selenio (Se) formando una solución sólida Cu2ZnSn(S, Se)4  (CZTSSe) y obteniendo así una eficiencia record de 12.6% [^[6]]. Por todo ello, el sistema CZTSSe presenta un interés significativo para su estudio, desarrollo y aplicación a gran escala en el campo fotovoltaico.

En la literatura se reportan  diversas formas para la obtención de películas delgadas basadas en CZTS. Dentro de las diferentes clasificaciones existentes se podrían clasificar en dos grupos: procesos de síntesis en vacío y procesos de no vacío. Dentro de la primera clasificación destacan la co-evaporación [^[7]], sputtering [^[8],^[9]] y deposición mediante laser [^[10]] entre otras. Estos métodos de síntesis tienen algunas desventajas como es la necesidad de equipamientos específicos con un elevado costo y la formación de fases secundarias durante el proceso de deposición. Los equipos especializados y los costos para estas técnicas no han dado buenos resultados por tal motivo en los últimos años surgen  los  métodos  que  no  requieren sistemas de vacío. En este grupo podemos recalcar la técnica de  electrodeposición [^[11]],  spray pirolisis  [^[12]] y métodos sol-gel [^[13]]. Sin embargo,  estos métodos de igual manera presentan inconvenientes como la formación de   impurezas tanto  en  la  electrodeposición  como  en  el  caso  de  la  spray pirolisis. En el caso de la metodología sol-gel pese a obtenerse la fase deseada de CZTS, las eficiencias de conversión eléctrica que se obtienen son relativamente bajas [2,^[14]], aunque actualmente esta técnica que no requiere vacío y puede sustituir el azufre parcialmente por selenio ha dado como resultado la celda record que está construida bajo técnicas sin vacío [12].

1. Propiedad de los materiales basados en CZTS

1.2.1  Estructura cristalina de la  kesterita CZTS 

Su estructura cristalina se puede visualizar que se derivan de la sustitución de elementos en los diferentes sitios de reticulación de dos celdas unitarias adyacentes de la estructura cristalina de zinc blenda.

En primer lugar, los iones  en la estructura de zinc blenda se sustituyen por   y  en una relación 1:1 para formar un cristal de calcopirita que es característico de la celda solar de CIGS. En el caso de CIGS,  y  se incorporan en lugar de . Para formar una estructura cristalina de kesterita, los iones  se sustituyen por  y . En el caso de CZTS, los iones   se incorporan en lugar de . Como se muestra en la Figura 1.1, las estructuras cristalinas de CZTS y CIGS sólo difieren en la identidad de los átomos presentes en el sitio de  de la estructura de calcopirita. Esta similitud estructural ayuda a explicar las propiedades ópticas y electrónicas similares en los dos materiales. [pic 3][pic 4][pic 5][pic 6][pic 7][pic 8][pic 9][pic 10][pic 11][pic 12][pic 13][pic 14]

1.2.2  Propiedades ópticas y electrónicas  de las celdas basadas en CZTS.

Las propiedades ópticas y electrónicas de los materiales basados en CZTS y CIGS se resumen en la Tabla I. Los materiales basados en CZTS son muy adecuados como absorbentes. En primer lugar, poseen un límite de Shockley-Queisser (“SQL^[a]”  En física, el límite Shockley–Queisser o límite de balance detallado designa a la máxima eficiencia teórica de una celda fotovoltaica basada en una unión p-n.) de al menos el 30.9% (para una ancho de banda de 1.0 eV) [^[15],14] esto hace muy prometedoras las celdas de CZTS con una alta eficiencia teórica.^[b][c]

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