Sustituciones químicas en materiales derivados de CZTS: síntesis, estructura y propiedades físicas

Abstract

Los CZTS (Cu2ZnSnS4) son materiales semiconductores con una estructura de tipo kesterita (grupo espacial 𝐼4̅). Esta estructura posee características idóneas para usarse en la fabricación de celdas solares dotándolas de una mayor flexibilidad y versatilidad. El intercambio de un elemento por otro conlleva en la alteración en las propiedades fisicoquímicas del material como, por ejemplo, variaciones en la estructura y composición elemental. En este seminario se informa la síntesis y caracterización de materiales tipo CZTS con fórmula química Cu2-xAgxZnSnSe4 (x = 0.10; 0.15 y 0.20). Se obtuvieron a través del método cerámico. A las fases obtenidas se les realizaron DRX de polvo, refinamiento Rietveld, Microscopía Electrónica de Barrido, Espectroscopía Raman y se les midió propiedades eléctricas a través del método de cuatro puntas con efecto Hall. Las fases fueron indexadas en el grupo espacial 𝐼4̅2𝑚, obtenido los valores de sus parámetros de celda, a = 5.6906 Å y c = 11.3364 Å para x = 0.10; a = 5.6929 Å y c = 11.3507 Å para x = 0.15 y a = 5.6962 Å y c = 11.3563 Å para x = 0.20. El análisis Raman entrego información valiosa con respecto al tipo de estructura que tenía cada una de las fases: Cu1.90Ag0.10ZnSnSe4 y Cu1.85Ag0.15ZnSnSe4 tiene una estructura tipo estannita, mientras que la fase Cu1.80Ag0.20ZnSnSe4 presenta una estructura tipo kesterita. En el caso de las medidas eléctricas se obtuvo que para x = 0.10 los portadores de carga en promedio fueron 9.064x1019 cm-3 y conductividad eléctrica de 21.11 Ω-1cm-1y para x = 0.20 los portadores resultaron ser 3.379x1019 cm-3 y la conductividad eléctrica 1.104 Ω-1cm-1a temperatura ambiente.

CZTS are semiconductor materials with a kesterite-type structure (space group 𝐼4̅). This structure has suitable characteristics for use in the manufacture of solar cells, giving them greater flexibility and versatility. The chemical substitutions of cationic atoms in crystal structure leads to alterations in the physicochemical properties of the material, such as variations in structure and elemental composition. The aim of this work was the synthesis and characterization of materials with chemical formula Cu2-xAgxZnSnSe4 (x = 0.10; 0.15 and 0.20). These compounds were prepared through the ceramic method. The obtained phases were analyzed by powder X-ray diffraction patterns, Rietveld refinement, Scanning Electron Microscopy, Raman Spectroscopy and electrical properties were measured through the four-probe Hall-effect method. The phases were indexed in the space group 𝐼4̅2𝑚, obtained the values of their cell parameters, a = 5.6906 Å and c = 11.3364 Å for x = 0.10; a = 5.6929 Å and c = 11.3507 Å for x = 0.15 and a = 5.6962 Å and c = 11.3563 Å for x = 0.20. The Raman analysis provided valuable information regarding the type of structure that each of the phases: Cu1.90Ag0.10ZnSnSe4 and Cu1.85Ag0.15ZnSnSe4 phases have a stannite-type structure while the Cu1.80Ag0.20ZnSnSe4 phase presents a kesterite type-structure. In the case of the electrical measurements, it was obtained that for x = 0.10 the charge carriers on average were 9.064x1019 cm-3 and electrical conductivity of 21.11 Ω-1cm-1 and for x = 0.20 the charge carriers on average were 3.379x1019 cm-3 and electrical conductivity of 1.104 Ω-1cm-1 at room temperature