Síntesis y caracterización de fases derivadas de Calcopiritas como potenciales capas transportadoras de huecos (HTL) para celdas solares basadas en Perovskitas

Abstract

Los calcogenuros con estructura tipo calcopirita (I-III-VI2) son una serie de materiales semiconductores con características prometedoras para ser utilizados como capa transportadora de huecos (HTL) en celdas solares tipo tándem basadas en perovskitas. En este seminario de título se prepararon muestras de calcopiritas de fórmula general Cu1-2xZnxIn(S/Se)2, Ag1-2xZnxInS2, AgBixIn1-xS2 y CuBixIn1-X(S/Se)2 (donde x=0,1 y 0,2), por método de síntesis cerámico. Las medidas de difracción de rayos X y la indexación de los patrones de difracción, mostrando que los calcogenuros de cobre dopados con bismuto/zinc y los calcogenuros de plata dopados con bismuto ajustan con el grupo espacial I4̅2d, mostraron un aumento sistemático en los parámetros de la red cristalina concordantes con la estequiometria del dopaje. De los espectros Raman se concluyó que el dopaje de los cationes Bi3+ y Zn2+ en los sitios del In3+ y Cu+ respectivamente, no provocan cambios en las señales ni en las frecuencias de los modos vibracionales, confirmando la estructura tipo calcopirita. Las mediciones mediante SEM-EDX, evidenciaron una distribución uniforme de los elementos en cada muestra. Mediante el uso del método de espectroscopía de reflectancia difusa, se determinaron las bandas prohibidas de las fases, arrojando valores prometedores idénticos a los teóricos, aproximadamente de Eg=1,4 eV para las fases basadas en azufre y Eg= 0,9 eV para los seleniuros, con relación a valores teóricos de 1,45 y 1,0 eV respectivamente. Los datos de propiedades eléctricas a temperatura ambiente arrojaron resultados de una mejoría en la conductividad de 0,137 Ω-1 cm-1 para la fase prístina hasta 2,26 Ω-1 cm-1para el dopaje con bismuto con x = 0,2, por otro lado, el dopaje con zinc aumenta estos parámetros y se reduce en un orden de magnitud los portadores de carga. Finalmente, los seleniuros presentan una relación de dos órdenes de magnitud de portadores de carga por encima de los azufrados.

Chalcogenides with a chalcopyrite structure (I-III-VI₂) are a series of semiconductor materials with promising characteristics for use as hole transport layers (HTL) in perovskite-based tandem solar cells. In this thesis seminar, samples of chalcopyrites with the general formulas Cu1-2xZnxIn(S/Se)2, Ag1-2xZnxInS2, AgBixIn1-xS2 and CuBixIn1-X(S/Se)2 (where x = 0.1 and 0.2) were prepared via ceramic synthesis. X-ray diffraction (XRD) measurements and indexing of diffraction patterns revealed that copper chalcogenides doped with bismuth/zinc and silver chalcogenides doped with bismuth matched the space group I4̅2d. A systematic increase in lattice parameters was observed, consistent with the doping stoichiometry. Raman spectroscopy showed that doping of Bi3+ and Zn2+ cations at In3+ and Cu3+ sites, respectively, did not alter the vibrational mode signals or frequencies, confirming the retention of the chalcopyrite structure. Scanning electron microscopy with energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDX) demonstrated uniform elemental distribution across all samples. Diffuse reflectance spectroscopy determined the band gaps of the phases, yielding promising values close to theoretical predictions: approximately Eg = 1.4 eV for sulfur-based phases and Eg = 0.9 eV for selenides, compared to theoretical values of 1.45 eV and 1.0 eV, respectively. Room-temperature electrical measurements revealed improved conductivity, increasing from 0.137 Ω-1 cm-1 for the pristine phase to 2.26 Ω-1 cm-1 for bismuth-doped phases (x = 0.2). Conversely, zinc doping increased conductivity while reducing charge carrier density by an order of magnitude. Selenide-based materials exhibited charge carrier densities for two orders of magnitude higher than their sulfide counterparts