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dc.contributor.advisorMorán Lázaro, Juan Pablo
dc.contributor.advisorCourel Piedrahita, Maykel
dc.contributor.authorGómez Zavala, Jesús Daniel
dc.contributor.editorCUVALLES
dc.contributor.editorUniversidad de Guadalajara
dc.contributor.otherMAESTRIA EN CIENCIAS FISICO MATEMATICAS
dc.date.accessioned2021-03-27T03:26:51Z-
dc.date.available2021-03-27T03:26:51Z-
dc.date.issued2020-12-17
dc.identifier.urihttps://wdg.biblio.udg.mx
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/20.500.12104/82793-
dc.description.abstractEn los últimos años, el semiconductor Sb2S3 ha tomado gran relevancia dentro de la comunidad científica debido a sus propiedades optoelectrónicas, como su brecha de zona prohibida (alrededor de 1.7 eV) y su gran coeficiente de absorción (ߙ > 104 cm-1), que lo hacen un material atractivo para ser utilizado como absorbedor en una celda solar. Además, el Sb2S3 no representa un riesgo tóxico, es químicamente estable y sus constituyentes son abundantes en la Tierra. Sin embargo, el principal problema en las celdas solares basadas en este material es su baja eficiencia de conversión solar, que se encuentra por debajo de 7.5%. De ahí la importancia de incrementar la relación eficiencia-costo de las celdas basadas en Sb2S3, ya que es la única vía para que dichas celdas puedan ser comercialmente competitivas. Para lograrlo, existen dos principales formas, la primera es encontrar métodos de obtención y procesamiento del material que faciliten y reduzcan el costo de fabricación de celdas basadas en Sb2S3. La segunda, es estudiar e identificar los factores limitantes que obstaculizan esta tecnología, de forma que puedan ser corregidos. En este sentido, el presente trabajo de investigación aborda la problemática desde ambas perspectivas, implementando por primera vez, el método coloidal asistido por microondas para sintetizar el material Sb2S3 con características ópticas y estructurales para su implementación como absorbedor; además de estudiar de forma teórica por medio del programa de simulación SCAPS los mecanismos y factores limitantes que desfavorecen una celda solar de arquitectura FTO/CdS/Sb2S3/Au. El método experimental Taguchi L9(43) fue usado para encontrar los parámetros óptimos para la síntesis de Sb2S3 por la ruta coloidal asistida por microondas. Del método Taguchi se obtuvo que a una concentración de 2 g de dodecilamina, a 250 °C de secado y a una temperatura de cristalización de 300 °C por 40 minutos es posible sintetizar el semiconductor Sb2S3 a escala manométrica. La caracterización estructural por difracción de rayos X mostró que se obtuvo Sb2S3 en fase cristalina, con estructura ortorrómbica y con grupo espacial Pbnm (62), además de una fase secundaria Sb, lo cual también fue confirmado por espectroscopia Raman. Mediante microscopía electrónica de barrido se lograron identificar tres distintas morfologías, esferas, barras y hexaedros irregulares, con tamaños variados que van desde 6 nm hasta 4.62 μm; adicionalmente, se encontró que dichas estructuras están formadas por nanopartículas. Posteriormente, mediante la técnica de EDS, se confirmó de forma cualitativa y semicuantitativa que las microesferas están compuestas de Sb2S3. Finalmente, la caracterización por UV-vis reveló que las muestras obtenidas del método coloidal asistido por microondas presentan características ópticas favorables para un material absorbedor, tales como un porcentaje de absorción superior al 89% de la radiación incidente, dentro del rango de 200-838 nm, y brechas de zona prohibida con valores entre 1.44 eV y 1.57 eV. Para la simulación por SCAPS de la celda solar FTO/CdS/Sb2S3/Au se partió de un caso idealizado bajo recombinación radiactiva, para definir cuál es el máximo desempeño que dicha celda puede alcanzar, revelando un máximo de eficiencia de 20.49%. Posteriormente, se estudió el impacto de los mecanismos de recombinación tanto en el material en bulto de Sb2S3 como en la intercara CdS/Sb2S3, así como de resistencias parásitas en serie y en paralelo; esto con el fin de explicar los resultados optoelectrónicos reportados experimentalmente en la literatura. La comparación de los resultados obtenidos con los reportados en la literatura, reveló que las celdas solares de película delgada basadas en Sb2S3 son afectadas por una combinación de factores tales como las resistencias en series y paralelo, las recombinación en el volumen del material Sb2S3 y recombinación de la intercara CdS/Sb2S3, limitando la eficiencia a valores cercanos a 4.42% en celdas con heterounión CdS/Sb2S3. No obstante, al mejorar la calidad del material Sb2S3 y la intercara CdS/Sb2S3 puede lograrse una eficiencia de 9.6%, con posibilidad de superar este valor y alcanzar una eficiencia de 15.87% si se eliminan las limitaciones provocadas por el efecto de las resistencias en serie y paralelo.
dc.description.tableofcontentsResumen......................................................................................................................................... i Abstract........................................................................................................................................ iii Índice de Figuras............................................................................................................................... I Índice de Tablas .............................................................................................................................. III Glosario de términos......................................................................................................................... IV Capítulo 1. Introducción..................................................................................................................... 1 1.1. Justificación................................................................................................................ 5 1.2. Hipótesis..................................................................................................................... 6 1.3. Objetivo general.......................................................................................................... 6 1.4. Objetivos específicos.................................................................................................. 6 Capítulo 2. Fundamentos teóricos. ...................................................................................................... 7 2.1. Semiconductores. ........................................................................................................ 7 2.2. Métodos de síntesis para semiconductores. .............................................................. 10 2.3. Técnicas de caracterización. ..................................................................................... 14 2.4. Metodología Taguchi de experimentación................................................................ 20 2.5. Principios del funcionamiento de una celda solar..................................................... 21 2.6. Programa de simulación SCAPS. ............................................................................. 31 2.7. Sb2S3 en dispositivos fotovoltaicos. .......................................................................... 34 Capítulo 3. Metodología experimental. ............................................................................................. 38 3.1. Síntesis de Sb2S3 y diseño experimental Taguchi. .................................................... 38 3.2. Caracterización estructural y óptica. ......................................................................... 41 3.3. Modelación y simulación por SCAPS. ..................................................................... 41 Capítulo 4. Resultados y discusión del método de síntesis............................................................... 44 4.1. Diseño experimental Taguchi. .................................................................................. 44 4.2. Condiciones Óptimas. ............................................................................................... 58 Capítulo 5. Resultados y discusión de la simulación por SCAPS: .................................................... 62 5.1. Impacto de los espesores en CdS, Sb2S3 y concentración de átomos aceptores, bajo el límite radiativo...... 62 5.2. Condiciones óptimas bajo recombinación radiactiva, impacto de la concentración de defectos en el CdS y el FTO.. 68 5.3. Impacto de los mecanismos de recombinación radiactiva, SRH, en intercara y en volumen. ....................... 74 5.4. Evaluación de los espesores en Sb2S3, CdS y concentración de átomos aceptores bajo diferentes mecanismos de recombinación................................................................ 76 5.5. Impacto de los mecanismos de recombinación en intercara contra recombinación en volumen......................... 87 Capítulo 6. Conclusiones .................................................................................................................. 93 Capítulo 7. Referencias bibliográficas.............................................................................................. 96 Índice de Figuras 2.1. Estructura de bandas de materiales sólidos. A) Material conductor. B) Material semiconductor. C) Material aislante.............................................................................................................8 2.2. Formación de una región de agotamiento, debido a la unión de los semiconductores tipo n y tipo p……………………10 2.3. A) Mecanismo de polarización dipolar. Las moléculas dipolares intentan alinearse con un campo eléctrico oscilante. B) Mecanismo de conducción iónica. Los iones en solución se moverán en el campo eléctrico oscilante. ………………..13 2.4. Método de síntesis coloidal. Reacción de dos sales inorgánicas “A” y “B” de forma confinada debido a la formación de soles coloidales. Posterior nucleación y crecimiento del nuevo compuesto A+B...........................................14 2.5. Descripción bidimensional de la reflexión de un haz de rayos X desde dos planos cristalinos paralelos separados por una distancia d. ………………………………………………………………15 2.6. Diagramas de niveles de energía que ilustran la dispersión Raman, con radiación incidente a la izquierda, radiación dispersada a la derecha. Solo se representan los niveles de energía directamente involucrados: A) transición de Stokes Raman, B) transición anti-Stokes Raman……………………..17 2.7. Principales señales emitidas como resultado de la interacción entre el haz de electrones y la muestra……………………19 2.8. Mecanismos de recombinación. A) Procesos de recombinación radiactiva de banda a banda en un semiconductor con transición directa. B) Visualización de la recombinación de Shockley-Read-Hall utilizando el esquema de enlace y el diagrama de banda de energía…………………………..………25 2.9. Características J-V de una unión p-n bajo iluminación. ………………………………………….30 2.10. Ventana principal del programa SCAPS…………………………………………………………32 2.11. Panel de resultados del programa SCAPS………………………………………………..………32 2.12. Ventana de configuración de problemas en el programa SCAPS………………………………..33 3.1. Diagrama de flujo por etapas del proceso de síntesis coloidal asistido por microondas para la obtención de Sb2S3 nanoestructurado…………………………………………………………………. 39 3.2. Estructura de capas de la celda solar FTO/CdS/Sb2S3/Au ……………...………..……………. 41 4.1. Difractogramas de las muestras 2T-1 a la 2T-9 de la metodología Taguchi………..……………..45 4.2. Espectro Raman de las muestras 2T-1 a la 2T-9…………………………………..…………….. 46 4.3. Micrografías SEM de las muestras del método Taguchi, morfologías encontradas para las muestras: A) 2T-1, B) 2T-2, C) 2T-3, D) 2T-4, E) 2T-5, F) 2T-6, G) 2T-7, H) 2T-8 e I) 2T-9……….48 4.4. Histogramas con la distribución de tamaños de partículas obtenidos de las micrografías SEM de las muestras del método Taguchi………………………………………………..……………………. 49 4.5. Imágenes de SEM a alta magnificación de las muestras: A) 2T-2, B) 2T-9 (corresponde a la superficie de una esfera), C) 2T-4, D) 2T-8, E) 2T-3 y F) Material recubierto por una capa de dodecilamina para la muestra 2T-7………….. 51 4.6. Espectros de absorción UV-vis de las muestras de la metodología Taguchi……………………..53 4.7. Gráficos correspondientes para la determinación de las energías del ancho de la zona prohibida mediante el método de Tauc. A) muestras 2T-1, 2T-2 y 2T-3. B) muestras 2T-4, 2T-5 y 2T-6. C) muestras 2T-8, 2T-7 y 2T-9. ……………………………………………..…………………………... 55 4.8. Factores con mayor influencia. Parámetros óptimos de reacción…………………………………57 4.9. Patrón de difracción de la muestra Op-0. Comparativa con las cartas de difracción de Sb2S3 (JCPDF No. 74-1046) y Sb (JCPDF No. 05-0562)……………………………..………….…………. 58 4.10. Espectro Raman de la muestra Op-0……………………………..……………………………... 59 4.11. Micrografía SEM de la muestra Op-0. A) Morfologías encontradas en la muestra: Microesferas, microbarras y poliedros, B) histograma con la distribución de tamaño de partículas esféricas………60 4.12. A) Aglomeración de nanopartículas en una microesfera, B) histograma con la distribución de tamaño de nanopartículas. ……………………………………………..…………………………....... 60 4.13. A) Micrografía SEM de la muestra Op-0 y B) espectro EDS de Sb2S3………………………… 61 4.14. Espectros de absorción UV-vis de la muestra Op-0, y B) gráficos correspondientes para la determinación de las energías de zona prohibida utilizando el método de Tauc………………………61 5.1. Curvas J-V del primer análisis con defectos en FTO y CdS. Con y sin resistencias…………….. 63 5.2. Efecto del espesor en la película de Sb2S3 (0.2-6 μm) en: A) la eficiencia ߟ, B) el voltaje de circuito abierto ܸ௢௖, C) la densidad de corriente ܬ௦௖ y D) el factor de forma ܨܨ. Sin resistencias……65 5.3. Efecto del espesor en la película de CdS (25-45 nm) en: A) la eficiencia ߟ, B) el voltaje de circuito abierto ܸ௢௖, C) la densidad de corriente ܬ௦௖ y D) el factor de forma ܨܨ. Sin resistencias…... 67 5.4. Efecto de la densidad de átomos aceptores ܰ஺ (1012-1016 cm-3) en: A) la eficiencia ߟ, B) el voltaje de circuito abierto ܸ௢௖, C) la densidad de corriente ܬ௦௖ y D) el factor de forma ܨܨ. Sin resistencias...…...……………………………………………………………………………………... 68 5.5. Curvas J-V del caso idealizado bajo recombinación radiactiva y condiciones óptimas, con defectos en FTO y CdS. Con y sin resistencias………………………………………………………………... 70 5.6. Curvas J-V del caso idealizado bajo recombinación radiactiva y condiciones óptimas, con defectos en FTO, sin defectos CdS. Con y sin resistencias…………………………………………………….. 71 5.7. Efecto de la densidad de defectos en el material CdS (1015-1018 cm-3) en: A) la eficiencia ߟ, B) el voltaje de circuito abierto ܸ௢௖, C) la densidad de corriente ܬ௦௖ y D) el factor de forma ܨܨ. Sin resistencias...…………………………………………………………………………………………... 72 5.8. Curvas J-V del caso idealizado bajo recombinación radiactiva y condiciones óptimas. Sin defectos en FTO ni en CdS. Con y sin resistencias...………………………………………………………….... 73 5.9. Evaluación de los mecanismos de recombinación: en volumen, en la intercara, radiactiva y la combinación de los tres. A) curvas J-V sin resistencias. B) curvas J-V con resistencias en serie y en paralelo. …………………………………......... 76 5.10. Evaluación de los diferentes mecanismos de recombinación a distintos espesores de Sb2S3 (0.2-6 μm). A la izquierda curvas de: A) eficiencia ߟ, C) voltaje de circuito abierto ܸ௢௖, E) densidad de corriente ܬ௦௖ y G) factor de forma ܨܨ, sin resistencias. A la derecha curvas de: B) eficiencia ߟ, D) voltaje de circuito abierto ܸ௢௖, F) densidad de corriente ܬ௦௖ y H) factor de forma ܨܨ, con resistencias….……………………………………………………………………………………….... 80 5.11. Evaluación de los diferentes mecanismos de recombinación a distintos espesores de CdS (25-45 nm). A la izquierda curvas de: A) eficiencia ߟ, C) voltaje de circuito abierto ܸ௢௖, E) densidad de corriente ܬ௦௖ y G) factor de forma ܨܨ, sin resistencias. A la derecha curvas de: B) eficiencia ߟ, D) voltaje de circuito abierto ܸ௢௖, F) densidad de corriente ܬ௦௖ y H) factor de forma ܨܨ, con resistencias…….…………………………………………………………………………………….... 83 5.12. Evaluación de los diferentes mecanismos de recombinación a distintas concentraciones de átomos aceptores (1014-1016 cm-3). A la izquierda curvas de: A) eficiencia ߟ, C) voltaje de circuito abierto ܸ௢௖, E) densidad de corriente ܬ௦௖ y G) factor de forma ܨܨ, sin resistencias. A la derecha curvas de: B) eficiencia ߟ, D) voltaje de circuito abierto ܸ௢௖, F) densidad de corriente ܬ௦௖ y H) factor de forma ܨܨ, con resistencias……………………………………………………………………..... 86 5.13. Evaluación de la densidad de defectos en el volumen (SRH) en el rango de 109-1015 cm-3 y la densidad de defectos en la intercara (intercara) en el rango de 107-1013 cm-2, en los parámetros de celda solar. A) Eficiencia ߟ, B) voltaje de circuito abierto ܸ௢௖, C) densidad de corriente ܬ௦௖ y D) factor de forma ܨܨ. Sin resistencias………………………………...... 89 5.14. Evaluación de la densidad de defectos en el volumen (SRH) en el rango de 109-1015 cm-3 y la densidad de defectos en la intercara (intercara) en el rango de 107-1013 cm-2, en los parámetros de celda solar. A) Eficiencia ߟ, B) voltaje de circuito abierto ܸ௢௖, C) densidad de corriente ܬ௦௖ y D) factor de forma ܨܨ. Con resistencias en serie y en paralelo……………………………………………………..92 Índice de Tablas 2.1. Celdas solares de película delgada en donde se emplea el Sb2S3. Estructura de la celda y sus correspondientes parámetros fotovoltaicos …………………………………………………………... 35 2.2. Celdas solares SSC en donde se emplea el Sb2S3. Estructura de la celda y sus correspondientes parámetros fotovoltaicos. ETL: película de transporte electrónico compuesta de FTO/TiO2/TiO2mesoporoso…………………...….……… 36 3.1. Condiciones estequiométricas generales de la reacción……………………………...…………... 38 3.2. Factores y niveles a evaluar……………………………...…………..............................................40 3.3. Diseño experimental de reacciones siguiendo la metodología Taguchi...........................................40 3.4. Parámetros de simulación para FTO, CdS y Sb2S3..........................................................................42 4.1. Tamaño de cristalita de las muestras 2T-1 a la 2T-9 calculado mediante la fórmula de Scherrer...45 4.2. Comparación de las bandas vibracionales experimentales y las encontradas en la literatura para el Sb2S3……... 47 4.3. Datos estadísticos de la distribución de partícula para las muestras del método Taguchi……….. 50 4.4. Porcentajes de absorción de las muestras de la metodología Taguchi…………………………… 53 4.5. Fases y parámetro de respuesta…………………………………………………...….…………... 56 4.6. Fases y parámetro de respuesta considerando resultados Raman………………...….…………... 56 4.7. Parámetros óptimos. ……………………………………………………………………………... 57 5.1. Límite radiativo con y sin resistencias en paralelo y en serie, con defectos en CdS y FTO……... 63 5.2. Condiciones óptimas bajo el límite radiativo con defectos en CdS y FTO………………………..69 5.3. Límite radiativo, parámetros optimizados, con y sin resistencias en paralelo y en serie. Con defectos en FTO y CdS………………………………...70 5.4. Límite radiativo bajo condiciones óptimas con y sin resistencias en paralelo y en serie. Con defectos en FTO, sin defectos en CdS………………………………………………………………….71 5.5. Límite radiativo bajo condiciones óptimas con y sin resistencias en paralelo y en serie. Sin defectos en FTO ni en CdS…………………………………………………………………………… 73 5.6. Parámetros de simulación para FTO, CdS y Sb2S3………………………………………………. 74 5.7. Mecanismos de recombinación SRH en volumen, en intercara, radiactiva y la combinación de todas. A) sin resistencias, B) con resistencias, en serie y paralelo………………………………. 76
dc.formatapplication/PDF
dc.language.isoes
dc.publisherBiblioteca Digital wdg.biblio
dc.publisherUniversidad de Guadalajara
dc.rights.urihttps://www.riudg.udg.mx/info/politicas.jsp
dc.subjectCeldas Solares
dc.subjectFisica
dc.titleEstudio estructural y óptico de Sb2S3 nanoestructurado y su simulación en celdas solares
dc.typeMaestria
dc.typeTesis
dc.rights.holderUniversidad de Guadalajara
dc.rights.holderGómez Zavala, Jesús Daniel
dc.coverageAMECA, JALISCO
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