El consumo energético primario actual a nivel global es de aprox. 13 TW-año y por el año 2050 este llegaría a 28 TW-año. De este, 7 TW-año será de energía eléctrica. Para que la concentración de CO2 en la atmósfera no rebase los 450 ppm en volumen, la generación de potencia eléctrica dependerá a la utilización masiva de energía solar con potencial de generación de hasta 60 TW-año a 10% de eficiencia de conversión. Los módulos fotovoltaicos actuales de películas delgadas policristalinas de CdS/CuInGaSe2 y CdS/CdTe ofrecen la eficiencia de conversión de 10% aprox., y una ventaja en costo con respecto a las celdas solares de silicio. Sin embargo, los elementos componentes de In y Te disponibles en la corteza terrestre para la producción de estas celdas solares, que han posibilitado la producción comercial e integración en sistemas conectadas a red de electricidad, no son capaces de una producción masiva durante varios años. Si se destina toda la cantidad de estos materiales factible a extraer, se sumarán 100 GW-pico de módulos de CdS/CiInGaSe2 con la generación de 0.02 TW-año de energía eléctrica y 500 GW-pico de módulos de CdS/CdTe con la generación de 0.1 TW-año de energía eléctrica aún a 20% de eficiencia de conversión – el doble de los módulos actuales. La suma 0.12 TW-año formará solo una parte insignificativa de los 7 TW-año de energía eléctrica requerida en un futuro cercano. De esta proyección de abasto-demanda surge la necesidad de dedicar esfuerzos al desarrollo de celdas solares que utilicen materiales abundantes y con tecnologías viables para la producción masiva. En este proyecto de investigación se desarrollarán materiales semiconductores de los elementos Cu-Zn-Sn-S-Se que substituirán a las películas delgadas semiconductoras de CuInGaSe2 y CdTe en celdas solares policristalinas. Se utilizará la técnica de depósito químico en la cual este grupo de investigación en el CIE-UNAM posee amplia experiencia para el desarrollo de los materiales. El Cu2ZnSnS4 (CZTS) es un semiconductor poco tóxico y abundante en la corteza terrestre. La abundancia de zinc (75 ppm), cobre (35 ppm) y estaño (2.2 ppm) en la corteza terrestre, comparadas con la de indio (0.049 ppm) y telurio (0.002 ppm), hacen al CZTS así como al CZTSe, materiales prometedores para la producción de módulos fotovoltaicos de área grande y a bajo costo. Se han reportado eficiencias de conversión de hasta 6.7% en celdas solares de Cu2ZnSnS4 en el año 2008. En la celda con su análogo selenuro, Cu2ZnSnSe4(CZTSe)/ CdS/ZnO, se lograron voltajes de circuito abierto (Voc) de 400 mV , densidad de corriente en corto circuito, Jsc, de 12 mA/cm2 y eficiencia de conversión de 2 % (aprox.) en el año 2006. Las capas de CZTS para estas celdas solares fueron preparadas por evaporación con haz de electrones de ZnS, Cu y Sn o por co-pulverización de SnS, Cu y ZnS, seguidos de una sulfurización de la película precursora en una atmósfera de (N2 + H2S) a temperaturas hasta de 550 oC. En el caso de CZTSe se ha reportado el depósito por láser pulsado de blancos sinterizados de polvos de Cu2Se, ZnSe, Sn y Se y la co-evaporación de Cu, ZnSe, Sn y Se para la obtención de películas delgadas. En el presente proyecto proponemos utilizar métodos de depósito químico de sulfuros y selenuros de metales, seguido por un horneado en condiciones deseables con o sin una fuente de azufre, selenio o metal elemental para producir estas películas delgadas para aplicación en celdas solares. Esta propuesta se basa en trabajos previos del grupo en los cuales se han preparado compuestos tales como Cu2SnS3, CuSbS2, Cu3BiS3, y AgSbSe2 a través del horneado de capas de semiconductores binarios formados por depósito químico. Se han logrado la fabricación de celdas solares con estos materiales con Voc > 600 mV, Jsc de 2 mA/cm2 y una eficiencia de conversión fotovoltaica de 0.6%. En el presente proyecto esperamos que, siguiendo las mismas metodologías, podamos obtener películas delgadas de calcogenuros cuaternarios de CZTS y CZTSe por las reacciones entre las películas delgadas de CuS, ZnS, SnS, ZnSe, Cu2-xSe, etc y sus ternarios. Se caracterizarán las películas formadas por los métodos de difracción de rayos X, fluorescencia de rayos X, microscopia electrónica, espectroscopia, y mediciones eléctricas. Como parte del trabajo también se investigará la formación de Cd2SnO4 y Zn2SnO4 por el depósito químico de las películas delgadas de binarios precursores y tratamientos post-depósito. Se utilizaran estas capas como conductores transparentes y ventanas en las estructuras de celdas solares con las capas absorbedoras CZTS/Se desarrolladas en el proyecto. A través del análisis de características de estas celdas solares se encontrarán la estructura y metodología de preparación de celdas solares estables bajo la radiación solar.

El desarrollo de las películas delgadas de calcogenuros Cu2ZnSnS4 y Cu2ZnSnSe4 para aplicaciones como absorbedores en celdas solares de películas delgadas policristalinas es el tema del presente proyecto. El proceso de obtener las películas delgadas consiste en el depósito secuencial o co-deposito por método químico de las capas de calcogenuros binarios de Cu, Zn, y Sn y tratamientos térmicos subsecuentes. Se analizarán las características físico-químicas de las películas desarrolladas, realizando las adecuaciones necesarias para aplicaciones en celdas solares. También se desarrollarán celdas solares utilizando dichas películas. Conforme al avance del proyecto generaremos de manera continua conocimientos importantes en la ciencia y tecnología básica y aplicada al respecto del desarrollo de dichas películas delgadas como absorbedoras en celdas solares, como las siguientes: (i) Condiciones del depósito: las composiciones, temperaturas, y pH de baños químicos, así como las duraciones de depósito para las diferentes películas con espesores adecuados y sin desprendimientos en baños consecutivos; (ii) Reacciones químicas para la formación de varias películas con composiciones ternarias y cuaternarias y la estabilidad térmica y química de las películas formadas; (iii) Características estructurales, brechas de energía, el tipo y concentraciones de portadores de carga, energía de activación de conductividad, fotorespuesta, y respuesta espectrales de las películas para identificar las condiciones adecuadas para su preparación para ser útiles en celdas solares; (iv) Estabilidad de diferentes metales y semiconductores para servir como contactos eléctricas y capas ventanas; y (v) Características fotovoltaicas de diferentes hetero-uniones y métodos para mejorar los parámetros fotovoltaicos. Ya que el proyecto involucra las investigaciones básica y aplicada, se involucrara estudiantes participantes con la titulación de una alumna de maestría durante el primer año en el tema del proyecto y la incorporación de tres alumnos más del posgrado durante los tres años de la vigencia del proyecto. Se espera también lograr reconocimiento a nivel internacional para los resultados logrados a través la publicación de cinco artículos de investigación sobre la formación de los compuestos CZTS/Se, asimismo de las estructuras fotovoltaicas que utilizan estos materiales. Así, a través del presente proyecto contribuiremos hacia al desarrollo de una tecnología fotovoltaica con método químico y basada en materiales que consisten de los elementos disponibles con mayor abundancia relativa en la corteza terrestre.