Implementación de un tratamiento térmico eficiente de CdCl2 para películas delgadas de CdTe en área grande

L.A. Esquivel-Mendez1, M.L. Albor-Aguilera1, M. A. González-Trujillo2, R. C. Ruiz-Ortega1,

H. Yee-Madeira1.

1 Instituto Politécnico Nacional-ESFM, Depto. de Física, U.P.A.L.M., San Pedro Zacatenco, 07738, CDMX, México.2 Instituto Politécnico Nacional-ESCOM, Formación Básica, U.P.A.L.M., San Pedro Zacatenco, 07738, CDMX, México.

México Teléfono (55) 5729-6000 Ext. 55054 E-mail: lourdesalbor10@gmail.com.mx

RESUMEN

Las celdas fotovoltaicas de CdTe tienen un fuerte potencial en el mercado fotovoltaico para la producción comercial en área grande. En este trabajo, realizamos tratamientos

térmicos utilizando sales de CdCl2 evaporado (CdTeTTE) y atomizado (CdTeTTA), que garantizan la recristalización en toda el área de la superficie del CdTe, para posteriormente ser

utilizados en la manufactura de mini-módulos de 100 cm2. Así mismo, llevamos a cabo la caracterización de las propiedades morfológicas, estructurales, ópticas y eléctricas de las

películas delgadas de CdTe tratadas en 100 cm2.

INTRODUCCIÓN

El teluro de cadmio (CdTe) se ha estudiado por décadas como película de absorción fotovoltaica, es uno de los materiales fotovoltaicos más prometedores en la producción a escala comercial. La brecha de energía del

CdTe es de aproximadamente de 1.5 eV el cual es el valor óptimo para dispositivos fotovoltaicos [1-2]. Películas delgadas de CdTe con 1µm de espesor pueden absorber aproximadamente el 90% de la luz Incidente lo

cual se debe a su alto coeficiente de absorción (>105cm-1) [3]. Las películas delgadas de CdTe pueden preparase mediante una variedad de técnicas físicas y químicas como lo son: deposito por láser pulsado,

pulverización catódica con magnetrón [5], pirolisis por pulverización, sublimación en espacio cercano (CSS) [6-8], Transporte de vapor en espacio cercano (CSVT) [9], etc. De acuerdo a las técnicas de depósito

utilizadas, las películas de CdTe poseen, una gran cantidad de defectos como maclas y fronteras de grano; que no son deseables para la obtención de celdas solares eficientes. Para contrarrestar estas deficiencias, se

recurre a la aplicación de tratamientos térmicos que permitan la recristalización de CdTe, disminuyendo considerablemente los defectos intrínsecos, lo que se traduce en una mejora significativa de los parámetros

eléctricos de los dispositivos. Para llevar a cabo este tipo de tratamientos, se deposita sobre la película delgada de CdTe una sal de cloro y se realiza un posterior tratamiento térmico. Este proceso ampliamente conocido,

utiliza principalmente Cloruro de Cadmio (CdCl2) para promover la recristalización del material y pasivar las fronteras de grano, disminuyendo la resistencia en serie y la resistividad de la película.

En este trabajo, proponemos un tratamiento térmico eficiente para las películas delgadas de CdTe, los tratamientos los llevamos a cabo utilizando dos metodologías; en la primera empleamos la sal de Cloruro de Cadmio

(CdCl2) evaporado (CdTeTTE) y en la segunda utilizamos CdCl2 atomizado (CdTeTTA). Estudiamos la influencia de los tratamientos térmicos en las propiedades morfológicas, estructurales, ópticas y eléctricas de las

películas delgadas de CdTe depositadas en 100 cm2 y determinamos que tratamiento térmico mejora las propiedades físicas de la película de CdTe para ser implementado en mini-módulos fotovoltaicos.

METODOLOGÍA

Se depositaron películas delgadas de CdTe utilizando la

técnica CSS (Close Space Sublimation). Empleando un polvo

de CdTe Sigma –Aldrich del 99.99 % de pureza. Utilizando

una temperatura fuente (Tf) y temperatura de sustrato (Ts) de

600°C y 430°C respectivamente.

Los tratamientos térmicos que implementamos fueron:

Cloruro de Cadmio (CdCl2) por evaporación (CdTeTTE) y

atomizado (CdTeTTA).

Figura 2. Sistema de Sublimación en Espacio Cercano.

Muestra Condiciones de deposito

CdTe T= 170°C, 150 mTorr (Ar 50%+O2 50%).

CdTeTTE T= 150°C, 100 mTorr (Ar 100%).

CdTeTTA Concentración de la solución (0.7mg/ml).

Tabla I. Condiciones de deposito para las películas de CdTe y CdTe con

tratamiento térmico.

RESULTADOS

Figura 2. Imágenes de Sem de las muestras obtenidas

a) CdTe, b) CdTeTTE, c) CdTeTTA.

Muestra %Cd ±0.5 %Te ±0.5 %Cl ±1.3 %M g±0.41

CdTe 48 52 ---- ----

CdTeTTE 46.1 53.1 0.8 ----

CdTeTTA 38.6 61.4 ---- ----

23.0 23.5 24.0 24.5 25.0

CdTe

CdTeTTE

CdTeTTA

Inte

ns

ida

d N

orm

ali

za

da

(u

.arb

.)

2q (Grados)

(111)

Tabla II. Cuantificación química de elementos para las películas obtenidas

MuestraParámetro de red

Å 𝐈𝐫 =𝟐𝟐𝟎

𝟏𝟏𝟏𝐈𝐫 =

𝟑𝟏𝟏

𝟏𝟏𝟏

FWHM ±0.01°

CdTe 6.481 0.6 0.4 0.34

CdTeTTE 6.478 0.5 0.3 0.32

CdTeTTA 6.480 0.6 0.5 0.39

Tabla III. Resultados de las intensidades relativas y los anchos medio de pico

(FWHM) calculados para , a) CdTe, b) CdTeTTE, c) CdTeTTA.

Muestra Resistencia Laminar

(/□) x109Resistividad (-cm) x104

CdTe 2.1 1.0

CdTeTTE 0.6 3.2

CdTeTTA 1.7 0.8

1.40 1.45 1.50 1.55 1.60

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

700 750 800 850 900 950

l (nm)

PA

S N

orm

alizad

a (

u.a

rb.)

(PA

S*hn)2

(mV

*eV

)2

CdTe-1.52eV

CdTeTTE

-1.52eV

CdTeTTA

-1.53eV

Energía (eV)

Se lograron depositar películas delgadas de CdTe en 100 cm2 de 500 nm de

espesor, con un deposito completo cubriendo toda el área de manera uniforme,

utilizando la técnica CSS (Close Space Sublimation, por sus siglas en inglés)

con características apropiadas para ser utilizada como material absorbente en

celdas solares.

En las películas delgadas de CdTe en áreas de 100cm2, se observó que los

tratamientos térmicos no modifican la estructura cristalina del CdTe, así mismo

no se observa un cambio significativo en las propiedades ópticas y eléctricas de

las películas tratadas, pero las propiedades morfológicas se ven modificadas

con los tratamientos térmicos, siendo el tratamiento de cloruro de cadmio

atomizado, en donde se observa una disminución en los defectos intrínsecos

del material, como son las fronteras de grano y las maclas en la película de

CdTe..

CONCLUSIONES

[1] K.D. Dobson, X. Yang, B. Liu, B. Li, J. Zhang, W. Li, L. Wu, L. Feng, Sol. Energy 77 (2004) 839–856.

[2] A. Perea, J.F. Trigo, Y. Laaziz, et al., Thin Solid Films 361–362 (2000) 65–69.

[3] X.Wu. S.Ma, H. Zhu, Z. Ye, T. Shu, J. Shu, X. Wu, “CdTe thin film solar cells with a SnTe buffer layer in back contact” Sol. Energy 77 (2004) 803–814.

[4] R. Luo, B. Liu, X. Yang, Z. Bao, B. Li, J. Zhang, W. Li, L. Wu, L. Feng. “The large-area CdTe thin film for CdS/CdTe solar cell prepared by physical vapor

deposition in medium pressure” Volume 360, Part B, 1 January 2016, Pages 744-748.

[5] A.D. Compaan, A.Gupta, S. Lee, S. Wang, J. Drayton “High efficiency, magnetron sputtered CdS/CdTe solar cells”,Sol.Energy77(2004)815–822.

[6] C.S. Ferekides, D. Marinskiy, V. Viswanathan, B. Tetali, V. Palekis, P. Selvaraj, D.L. Morel,” High ef®ciency CSS CdTe solar cells”, Thin Solid Films 361–362

(2000) 520–526.

[7] C.S. Ferekides, D. Marinskiy, V. Viswanathan, B. Tetali, V. Palekis, P. Selvaraj, D.L. Morel,” High ef®ciency CSS CdTe solar cells”, Thin Solid Films 361–362

(2000) 520–526.

[8] J. Britt, C. Ferekides,” Thin‐film CdS/CdTe solar cell with 15.8% efficiency”Appl. Phys. Lett. 62 (1993) 2851.

[9] V.I. Kaydanov, T.R. Ohno,” Studies of Basic Electronic Properties of CdTe-Based Solar Cells and Their Evolution During Processing and Stress” , Sol.Energy

Mater. Sol. Cells 83 (2004) 55–65.

REFERENCIAS

Figura 1. Sistema de Sublimación en Espacio Cercano.

Figura 5. Patrones de difracción de rayos X

superpuestos y amplificación de la reflexión

correspondiente a la orientación (111).Figura 4. Patrones de difracción de rayos X de las películas a) CdTe, b) CdTeTTE, c) CdTeTTA..

20 30 40 50 60 70 80

CdTe

CdTeTTE

CdTeTTA

Inte

ns

ida

d N

orm

alizad

a (

u.a

rb.)

2q (Grados)

(111)

(220)

(311)

(400)(331) (422)

(511)

Figura 4. Espectros fotoacusticos (~300 °K) de los tratamientos

térmicos aplicados a la película de CdTe.

Estructura del contenido

La estructura se concreta en los siguientes apartados:

a. Cabecera.- Como presentación del contenido que se desarrollará a continuación y losuficientemente interesante para que atraiga la atención e informe del contenido y su autoría. Eneste apartado deberán figurar:

- Título- Autores- Centro de trabajo de los autores

b. Introducción que centre el trabajo, justifique su interés, enuncie las hipótesis y/o los objetivosdel trabajo.c. Metodología empleada tanto en la adquisición como en el tratamiento de los datos.d. Resultados obtenidos dentro de la fase experimental.e. Discusiónf. Conclusionesg Referencias bibliográficas

Tamaño: 90 cm de ancho X 140 cm alto

Fuentes

Las fuentes más adecuadas para elaborar un póster son las que se definen como técnicas, es decir, que no presentan adornos que puedan entorpecer su percepción a distancia y son lo suficientemente grandes como para que no haya que acercarse demasiado.

Así se recomienda la letra de trazo simple como Arial, Helvética, Tahoma, Verdana… aunque si son lo suficientemente grandes.

Si el texto es largo y está organizado en columnas se puede emplear también letra tipo Times. Se recomienda no utilizar más de tres tipos de fuentes diferentes en el póster: títulos, texto y pies de ilustración y que quede bien claro cual es la función de cada una de ellas.

Tamaño de las fuentes

Se recomiendan que empleemos, como mínimo, los siguientes tamaños:

Tamaño

Título. En negrita. 54 puntos

Subtítulos o títulos intermedios 48 puntos

Autores, filiación y otros datos 30 puntos

Texto 28 puntos

Pies de ilustración 24 puntos