Resumen de Caracterización por espectroscopia Raman de semiconductores Cu2ZnSnS4 para nuevas tecnologías fotovoltaicas
Xavier Fontané Sánchez
El trabajo se ha centrado en el análisis del compuesto Cu2ZnSnS4 (CZTS) mediante la técnica de espectroscopia de dispersión Raman, para una mayor optimización de los procesos de crecimiento de capas absorbedoras y la fabricación de celdas fotovoltaicas. Inicialmente, se da una visión del panorama actual del mercado de la energía fotovoltaica, con especial énfasis en destacar las diferentes tecnologías utilizadas en la fabricación de celdas solares. Dentro de estas tecnologías, el estudio se centra en el uso del compuesto CZTS, ya que se trata de un semiconductor con interesantes propiedades optoelectrónicas que está constituido por elementos muy abundantes en la corteza terrestre y de nula toxicidad, lo que lo convierte en un candidato especialmente adecuado para el desarrollo de tecnologías fotovoltaicas sostenibles y de producción a gran escala. Dado que la gran mayoría de experimentos presentados en este trabajo son de espectroscopia Raman, también hay una breve introducción a la teoría de dispersión inelástica de la luz y al efecto Raman en sí. También se describen las diferentes configuraciones experimentales llevadas a cabo durante la tesis, se muestra el equipamiento utilizado en los experimentos y se introduce el concepto de la espectroscopia Raman-Auger, presentando un primer experimento efectuado sobre una capa de CIGSe. En un intento de profundizar en el conocimiento de las propiedades vibracionales del Cu2ZnSnS4 como paso previo a la caracterización del compuesto, se ha recopilado la información disponible en las referencias bibliográficas actuales sobre la estructura cristalina del material y se ha realizado una serie de análisis de espectroscopia Raman: en primer lugar se ha analizado una capa de referencia de CZTS con diferentes configuraciones de polarización para establecer los modos de simetría, y posteriormente se ha procedido a la identificación de los picos Raman. Dicha identificación se ha realizado mediante diferentes longitudes de onda de excitación para activar de forma más o menos efectiva los distintos modos de vibración. Por último se han estudiado los efectos debidos al desorden y los defectos estructurales. Como consecuencia de la cantidad de elementos involucrados en el compuesto de CZTS y la complejidad de las reacciones de formación implicadas, es esperable la aparición de fases secundarias binarias de Cu/Zn/Sn-S y ternarias de Cu-Sn-S. Dada la gran relevancia que tienen dichas fases secundarias en las propiedades optoelectrónicas de los dispositivos, se ha desarrollado una metodología para su determinación, haciendo especial hincapié en la identificación de estas fases secundarias mediante la excitación selectiva en condiciones de pre-resonancia y argumentando el uso de la espectroscopia Raman por encima de otras técnicas de caracterización más comunes como la difracción de rayos X (XRD). Por último, se ha implementado todo lo estudiado anterior para una serie de capas de CZTS ricas en Zn de grado fotovoltaico, que han sido preparadas por sulfurización de stacks metálicos y analizadas mediante combinación de técnicas de XRD y espectroscopias Raman y Auger. A partir de los resultados obtenidos del análisis en profundidad de las capas para diferentes valores de tiempo y temperatura de recocido, se ha propuesto una reacción de formación del CZTS.
