Universidad Autnoma de Ciudad Jurez

Instituto de Ingeniera y Tecnologa

Departamento de Ingeniera Elctrica y computacin

Desarrollo de Celdas Fotovoltaicas de Gran rea con Nuevos Materiales, utilizando un Sistema de Roco Piroltico

Por: Dr. Abimael Jimnez Prez - UACJ Dr. Karim Monfil Leyva - BUAP

Dr. Roberto Carlos Ambrosio Lzaro - UACJ Dr. Mario Moreno Moreno - INAOE

Dr. Sebastian Pathiyamatttom Joseph - CIE-UNAM Dra. Amanda Carrillo Castillo - UACJ Dr. ngel Sauceda Carvajal - UACJ Dr. Jos Mireles Jr. Garca - UACJ Dr. Carlos Martnez Prez - UACJ

Ciudad Jurez, Chihuahua Octubre 2012

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I. Resumen. El rpido crecimiento en el consumo de energa hace que la produccin de sta sea parte de

los problemas actuales en el mundo. Se requiere energa para mantener la produccin de alimentos, de textiles, as como para transportarnos y comunicarnos.

Mxico se encuentra hoy, se puede decir que de forma imprescindible, en la necesidad de establecer cambios en su paradigma energtico, centrado en combustibles fsiles, petrleo y gas natural, para que diversifique su oferta energtica en base a energas renovables y aplique medidas de ahorro y uso eficiente de energa.

La Secretaria de Energa menciona que la energa elctrica generada en Mxico por plantas hidroelctricas y geotrmicas representan ya 25.4 % de la capacidad del sistema elctrico nacional y 15.1 % de la generacin elctrica total [1]. Sin embargo, existe an un importante potencial para la generacin de energa a partir de otras fuentes renovables, tales como la solar, la elica y la hidrulica.

Es por ello que en esta propuesta el Cuerpo Acadmico (CA) de Microelectrnica de la Universidad Autnoma de Ciudad Jurez (UACJ), a travs del Centro de Investigacin en Ciencia y Tecnologa Aplicada (CICTA) de la UACJ y en colaboracin con investigadores de otras universidades y centros de investigacin del pas; propone el desarrollo de investigacin cientfica aplicada en la fuente de energa solar, la cual ocupa un lugar de extraordinaria importancia, por lo que se refiere a la cantidad de energa solar que recibe el planeta.

El estado de Chihuahua y en general el Norte del pas recibe una incidencia de solar de las mayores que se tienen registradas a nivel mundial. Especialistas reportan, que en un da soleado normal, en esta regin se reciben del orden de 4 a 6 kiloWatt hora por metro cuadrado (kWh / m2) de energa solar. Esto significa que, comparativamente se recibe en una superficie de un 1 km2, aproximadamente el equivalente de toda la energa elctrica que consume la ciudad de Chihuahua en un da promedio.

Fabricar Celdas Solares (CS) o Celdas Fotovoltaicas (CF) con alta eficiencia de conversin y bajo costo de produccin es uno de los propsitos fundamentales en aras de disminuir el precio del kWh de energa elctrica. En la constante bsqueda por bajar los costos, se han desarrollado dispositivos de pelcula delgada de diferentes materiales semiconductores, siendo el silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H) el que se encuentra desde hace aos en el mercado. De ms reciente aparicin son las celdas de telururo de cadmio (CdTe) y de disulenuro de cobre e indio (CulnSe2).

Es por ello que en este proyecto se plantea una investigacin en la obtencin de nuevos materiales compuestos, conocidos como kesteritas (CZTS y CZTSe), para aplicarles en la fabricacin de Celdas Fotovoltaicas (CF) de gran rea. Los materiales cuaternarios se obtendrn a travs de un sistema de muy bajo costo de roco piroltico o usualmente conocido como spray pyrolysis. Por lo tanto, el objetivo ser obtener celdas de gran rea, a un bajo costo, con mayor durabilidad y con

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una mejora importante en absorcin y conversin de la energa.

Finalmente, esta propuesta es congruente con los objetivos 1, 2 y 3 del plan estatal de desarrollo 2010-2016 del estado de Chihuahua, en el punto IV. Medio Ambiente y Sustentabilidad en el rubro de Energas Alternativas. Tambin, con este proyecto se impulsar el desarrollo cientfico y tecnolgico en la UACJ.

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II. Originalidad de la propuesta. Actualmente, a nivel mundial, la generacin de energa en mayor proporcin, est basada en

combustibles fsiles. En conjunto el petrleo, carbn y gas natural representan el 81 %; y con pequeas contribuciones, las plantas nucleares 2.8%, siendo muy pequea la generacin de energa por otros medios [2]. As pues, los combustibles fsiles son la base para la produccin de energa. Sin embargo, el consumo de petrleo y carbn para generar energa, produce grandes cantidades de Dixido de Carbono (CO2), que se incorpora a nuestra atmsfera y que ha ocasionado el calentamiento global. As pues, es necesario e importante hacer viables a las fuentes de energa renovable, puesto que stas son formas de produccin de energa no contaminante y no agotable.

Con respecto a la energa renovable solar, existe una gran industria de mdulos fotovoltaicos fabricados usando tecnologa de silicio (SI) y tecnologa de pelcula delgada. La tecnologa de SI tiene una limitante debido a que el costo de produccin de mdulos fotovoltaicos es muy alto, lo cual hace que la generacin de energa fotovoltaica no sea competitiva con la generacin convencional, basada en combustibles fsiles.

Actualmente, se investiga la implementacin de CF multi-unin, con las cuales es posible obtener una gran eficiencia de conversin a travs de la reduccin de prdidas termodinmicas, las cuales estn asociadas con la absorcin de fotones con energa mayor al ancho de banda de las capas activas. Por lo anteriormente mencionado, las CF multi-unin hacen un uso ms eficiente del espectro total de la energa solar.

Tericamente, las celdas de triple unin presentan una eficiencia del 50% y hasta la fecha, las celdas de triple unin fabricadas con materiales III-V han alcanzado eficiencias superiores al 40%. Aunque una alta eficiencia en las CF es benfico para la disminucin del costo de la conversin de energa solar, el impacto de esta tecnologa en el mercado energtico podra verse obstaculizado en cierta medida por los elevados costos de fabricacin debido a los procesos de depsito de baja velocidad y alto vaco, utilizadas para el crecimiento de cristales semiconductores de alta pureza.

La incorporacin de la tecnologa de pelculas delgadas permite reducir significativamente el costo de produccin de las CF, sin embargo, desde el punto de vista ambiental esta tecnologa presenta una limitante ya que usa elementos txicos en su fabricacin. En el marco de esta propuesta, se harn aportaciones significativas en el rea de los materiales fotovoltaicos, con nfasis en aquellos que tienen propiedades adecuadas para ser utilizados como capa absorbente en CS de gran rea, fabricadas con tecnologa de pelcula delgada. La finalidad de estudiar materiales fotovoltaicos ser obtener CS de segunda y tercera generacin [3], utilizando tcnicas econmicas como la de roco piroltico.

Por otro lado, el objetivo de esta propuesta tambin consiste en probar el concepto de CS multi-unin. La aplicacin de tcnicas de fabricacin de bajo costo para celdas multi-unin con alta eficiencia puede resultar en una tecnologa novedosa de depsito de pelculas delgadas de costos similares o menores, pero con una eficiencia de conversin de energa mucho mayor a la que

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presentan los dispositivos de una sola unin.

Debido al alto costo y escasez, de muchos de los elementos empleados en la obtencin de materiales semiconductores con anchos de banda (Eg) ms apropiados para una absorcin efectiva de la radiacin solar; se requiere del desarrollo de nuevos compuestos para aplicaciones fotovoltaicas de bajo costo, sencilla obtencin y procesos capaces de aplicarse en paneles solares de gran rea. Entre los compuestos semiconductores ternarios y cuaternarios, los compuestos de sulfuro y selenuros de Cobre (Cu) con Estao (Sn) y Zinc (Zn), tales como Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTS, CZTSe), surgen como una importante y menos costosa alternativa para una eficiente conversin de energa. En particular, los materiales cuaternarios CZTSe representan una importante alternativa para combinar las adecuadas propiedades optoelectrnicas empleando materiales abundantes en la corteza terrestre y buscando el desarrollo de dispositivos de bajo costo con eficiencias de alrededor del 11%. De ah que una de las propuestas en este proyecto es el desarrollo de pelculas cuaternarias de CZTS y CZTSe incorporando las tecnologas de fabricacin de bajo costo.

La propuesta abordara la investigacin de esta limitacin, proponiendo un concepto de dispositivo multi-unin, donde todas las capas de materiales nanoestructurados como bloques de construccin, tanto para las capas activas como para los contactos transparentes pueden ser depositadas de forma secuencial, a travs de tcnicas de depsito de bajo costo, baja temperatura y sin necesidad de usar equipos que requieren alto vaco para producir depsitos en rea grande.

v El proyect est enfocado en la obtencin de nuevos materiales fotovoltaicos mediante el sistema de roco piroltico, que adems de tener propiedades adecuadas para utilizarlos como capa absorbente en la fabricacin de CF con tecnologa de pelcula delgada, sean menos txicos y con mayor abundancia en la naturaleza que los usados actualmente.

v Los nuevos materiales obtenidos por la tcnica de roco piroltico actuaran como capas semiconductoras para la formacin de las uniones pn en los dispositivos fotovoltaicos. La investigacin para la obtencin de estos nuevos materiales permitirn realizar trabajos de investigacin de calidad, que puedan impactar en la formacin de recursos humanos capacitados que impulsen el desarrollo de la industria fotovoltaica en el estado de Chihuahua y que contribuyan en el incremento de produccin de energas renovables acordes a la regin.

v En este trabajo tambin se demostrara la factibilidad de obtener materiales conocidos como kesteritas _como CZTS y CZTSe_ e integrarlos en el proceso estndar de silicio para la fabricacin de CF de gran rea capaces de convertir la energa solar radiada en potencia elctrica. A la fecha las keskeritas es uno de los temas de estudio de mayor potencial a nivel mundial para el desarrollo CF, por lo cual, se pretende realizar un anlisis comparativo y determinar la mejor eficiencia de conversin de energa usando ambos tipos de kesteritas tanto en sustratos de vidrio como de silicio.

v Finalmente se hace nfasis que cuando las fuentes de energa basadas en petrleo

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empiecen a agotarse, las diferentes formas de energa renovable y principalmente la energa solar se incrementar. Por lo tanto, la propuesta hecha en este proyecto no slo est direccionada al campo de la tecnologa microelectrnica y de materiales si no que tambin est dirigida hacia el problema de proporcionar nuevas tcnicas de aprovechamiento de la radiacin solar. Todo esto ser una importante contribucin a la emergencia planteada en el plan estatal de desarrollo 2010-2016 del estado de Chihuahua con respecto al impulso de proyectos que mejoren el Medio Ambiente y Sustentabilidad de la regin con el uso de fuentes de energa renovables y desarrollando tecnologa e impactando de una forma indirecta en la conservacin del medio ambiente.

III. Antecedentes. Las energas renovables se definen como aquellas que son inagotables, tengan o no su origen

en el sol, afirmando que el concepto de renovable se refiere a periodos de consumo que no sean mayores a los de produccin o a los de generacin de manera natural.

Se sabe que la reserva de los combustibles fsiles, es finita y no renovable. De acuerdo a las predicciones, en los prximos 10 a 20 aos, comenzar el declive en la produccin de petrleo [4]. Tambin, es de suma importancia el cuidado del medio ambiente y principalmente disminuir el uso de combustibles fsiles, que ha tenido efectos nocivos en el balance natural del planeta. A nivel mundial se producen alrededor de 20 x 1012 kg de CO2 anuales que son emitidos directamente a la atmsfera, resultando en un incremento en la concentracin de CO2 en el medio ambiente.

Es necesario e importante hacer viables a las fuentes alternas de energa o energas renovables, puesto que stas son formas de produccin de energa no contaminante y no agotable.

El consumo mundial de energa se recuper de manera importante en 2010, despus de una recesin global en 2009, con un crecimiento anual del 5.4%, muy por encima del promedio histrico promedio. El consumo de energas renovables, el cual no present recesin en 2009, continu con su tendencia de crecimiento en 2010 [2].

En la figura 1 se puede observar que en 2009, las fuentes de energas renovables suministraron el 16% del consumo energtico mundial _considerando la biomasa tradicional, la energa hidroelctrica, elica, solar, geotrmica, biomasa moderna y biocombustibles_.

La biomasa tradicional, la cual se utiliza principalmente para cocinar y para generar calefaccin en zonas rurales de los pases en desarrollo, representa aproximadamente el 10% de la energa renovable total. La energa hidroelctrica represent el 3.4% y continua creciendo pero de manera modesta. El resto de fuentes de energa renovable representaron aproximadamente el

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2.8% en 2009. Sin embargo, estn creciendo muy rpidamente en muchos pases desarrollados, as como en algunos pases en desarrollo.

Durante el perodo comprendido entre finales de 2005 a 2010, la capacidad total mundial de muchas tecnologas de energa renovable _incluyendo la fotovoltaica, elica, concentradores solares, sistemas solares de calentamiento de agua y biocombustibles_ crecieron a tasas promedio que van desde un 15% a casi el 50% anual. En la figura 2 se observa que la tecnologa fotovoltaica present el mayor crecimiento de todas las tecnologas renovables durante este perodo, seguido por la tecnologa de biodiesel y la elica. Las tecnologas de energa solar, presentaron un crecimiento mayor durante 2010 en comparacin con los cuatro aos anteriores.

Figura 1. Distribucin del consumo mundial de energas renovables en 2009 (Informacin tomada de REN21

(2011) [2]).

Figura 2. Tasa de crecimiento promedio anual de la capacidad de produccin de energas renovables y

biocombustibles, entre finales de 2005 y 2010 (Informacin tomada de REN21 (2011) [2]).

En la figura 3 se presenta la capacidad instalada de energa elctrica, basada en fuentes de energa renovable a nivel mundial. Se pueden observar, que los cinco principales pases _sin considerar la energa hidroelctrica_ fueron Estados Unidos, China, Alemania, Espaa e India. Incluyendo la energa hidroelctrica, China, Estados Unidos, Canad, Brasil e India empatado con Alemania, fueron los principales pases con el total de la capacidad de energa renovable instalada

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16%

POWER GENERATION MARKETS

01 GLOBAL MARKET OVERVIEW

Figure 1. Renewable Energy Share of Global Final Energy Consumption, 2009

GLOBAL MARKET OVERVIEW

REN

EWA

BLE

S 20

11 G

LOB

AL

STA

TUS

REP

OR

T

GLOBAL MARKET OVERVIEW01

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49%

60%81%

27%25%

25%77%77%

4%3%

3%3%

16%16%

23%17%17%

16%16%

38%38%7%

72%

Figure 2. Average Annual Growth Rates of Renewable Energy Capacity and Biofuels Production, 20052010

Figure 3. Renewable Energy Share of Global Electricity Production, 2010

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a finales de 2010. Tambin se observa que los pases en desarrollo, la Unin Europea y China fueron quienes ms contribuyeron a esta capacidad. As tambin se observa que a finales de 2010, la capacidad de energa renovable mundial totaliz en 312 GW. Finalmente, se estima que en la Unin Europea en 2010 se instal un 41% de nueva capacidad elctrica, basada en energas renovables, donde la energa fotovoltaica abarc ms de la mitad del total (ver figura 3) [5].

Figura 3. Capacidades de energa renovable, pases en desarrollo, E. U. y los cinco principales pases en 2010

(Informacin tomada de REN21 (20011) [2]).

Sin dudad la tecnologa fotovoltaica interconectada fue la que mayor crecimiento present. Pas de 2 GW a inicios del 2002 a un estimado de 40 GW a finales de 2010 [2], sin embargo, entre 2009 y 2010 se observ un crecimiento promedio anual del 72% (ver figura 2) para este periodo con una demanda de 40 GW duplicando as la capacidad de generacin con respecto a aos anteriores. En general se observa un crecimiento de las energas renovables mucho mayor que el de las energas a partir de combustibles fsiles, las cuales solamente crecieron entre el 3 y el 4% para el mismo periodo de tiempo.

Energa solar y ventajas sobre otro tipo de energas renovables.

La radiacin solar incidente sobre la Tierra es equivalente a ms de 800 000 millones de GWh de energa en un ao, lo que representa alrededor de 35000 veces el consumo mundial en ese tiempo, y es 500 veces mayor que el equivalente energtico suministrado por todas las dems fuentes de energa. La energa solar que recibe cada ao la pennsula Arbica, zona geogrfica donde radican las mayores reservas de petrleo, es el doble del equivalente energtico de las reservas mundiales de petrleo. La superficie de la Tierra recibe en 30 minutos una cantidad de energa solar equivalente al consumo energtico mundial en un ao.

La energa solar o fotovoltaica, comparada con el resto de las fuentes renovables de energa, tiene entre sus ventajas ms importantes [6]:

Su conversin es la ms instantnea de todas.

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Wind Power

94

135135

56 50 49

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312

2626

Figure 4. Renewable Power Capacities*, Developing World, EU, and Top Five Countries, 2010

REN

EWA

BLE

S 20

11 G

LOB

AL

STA

TUS

REP

OR

T

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Es modular y aditiva, es decir, puede generar desde valores de potencia menores que el Watt hasta decenas de MW.

No tiene partes mviles y el costo de mantenimiento es el ms bajo de todos.

Es una tecnologa madura y aceptada internacionalmente.

Es una tecnologa que permite generar empleos y un desarrollo industrial sustentable.

Es altamente confiable al ser el Sol una fuente de energa limpia, inagotable y de acceso libre.

Es la mejor opcin en fuentes renovables de energa para introducir en un ambiente urbano.

Es fcil de producir e instalar a escala masiva.

Es el modo ms accesible de proveer de energa a los millones de personas sin electricidad en el mundo.

Energa solar en el estado de Chihuahua.

Quizs la tecnologa solar ms antigua y ms utilizada en Mxico sea la del calentamiento solar de agua utilizando calentadores solares planos, fabricados con tubos y aletas de cobre y tambin fabricados con plstico, cuya principal aplicacin es el calentamiento de agua para albercas, as como el calentamiento de agua para casas habitacin (ver figura 4). Esta aplicacin no es de extraarse, dado que Mxico posee uno de los porcentajes en irradiacin solar ms altos del mundo.

Figura 4. Instalacin de calentadores solares planos en una unidad habitacional en Ciudad Jurez, Chihuahua

(Sunway, S.A.).

Por ejemplo, la parte central de Mxico recibe un promedio anual de 3.5 kWh / m2 da de irradiacin, mientras que en los estados del norte de Mxico se alcanzan valores promedio de 5.5 kWh / m2 da. Esto quiere decir que en un techo de alrededor de 20 m2 (superficie comn en una casa habitacin) se recibe en promedio una cantidad de energa diaria, de ms de 110 kWh / da,

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equivalentes a la energa disipada por 45 focos de 100 W cada uno, encendidos durante 24 horas.

El estado de Chihuahua est ubicado geogrficamente en una de las regiones con mejor radiacin solar en el mundo. En la figura 5 se puede observar que de acuerdo a estudios realizados por la compaa 3TIER la radiacin en el estado de Chihuahua puede generar alrededor de 5 a 7 kWh / m2 en promedio durante el da.

Figura 5. Mapa con la representacin de la radiacin solar en el continente americano (pertenece a la

compaa 3Tier Inc. http://www.3tier.com/en/).

En conclusin, el estado de Chihuahua tiene un enorme potencial de energa solar con los niveles de irradiacin ms altos del mundo, al grado que Chihuahua podra llegar a convertirse en una de las reservas ms grandes del planeta de la industria solar. Es necesario crear un clster de energas renovables, es decir, que Chihuahua autogenere el 100 % de su energa de consumo para el ao 2025. Entre los objetivos de este clster se debe considerar la integracin continua de empresas, universidades, cmaras de comercio, gobierno y asociaciones civiles. Chihuahua se encuentra en una zona privilegiada del planeta, tiene casi el doble de radiacin solar que Alemania y sin embargo, Alemania es el pas que tiene ms generacin de energa solar per cpita _ como se muestra en la figura 3_.

Tecnologa de las celdas fotovoltaicas.

Fabricar CS con alta eficiencia de conversin y bajo costo de produccin es uno de los propsitos fundamentales en aras de disminuir el precio del kWh de energa elctrica. Entre los problemas actuales para el desarrollo de energa fotovoltaica a escala tecnolgica se pueden

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mencionar:

a) Por tratarse de una tecnologa relativamente nueva no existe la suficiente cultura y conocimientos respecto a su capacidad y utilizacin.

b) El costo inicial de la instalacin es alto si se compara con sus similares.

Durante los ltimos aos, la generacin fotovoltaica de electricidad se ha realizado utilizando mdulos solares fabricados usando tres tecnologas diferentes. La primera de stas es la denominada tecnologa de silicio mono- y poli-cristalino _conocida como primera generacin_. La primera generacin de celdas solares (CS), es el mercado ms grande, de celdas fotovoltaicas (CF), basadas en silicio (SI) que han y siguen dominando el mercado de paneles solares [7]. El 86 % del mercado mundial de CS, utiliza obleas de silicio en la fabricacin. Esta generacin ha dominado debido a su alta eficiencia de conversin. Lo anterior, a pesar de los altos costos de fabricacin; problema que se intenta solucionar con la segunda generacin de CS.

La segunda generacin es la denominada tecnologa de pelculas delgadas que ha sido muy exitosa mediante la fabricacin de mdulos basados en tres tipos diferentes de materiales: Cu(In,Ga)Se2 (CIGS), CdTe y silicio con estructura amorfa (a-Si) [8]. Las CS de esta generacin son celdas mucho ms baratas de producir que las celdas de la primer generacin, pero presentan una menor eficiencia. La gran ventaja de las CS de segunda generacin, aunado a su bajo costo, es la flexibilidad de los materiales utilizados. Con la tecnologa de pelcula delgada se han logrado innovaciones con CS ligeras y estticamente agradables, tales como tejas solares y paneles solares que se pueden adaptar a la forma de un techo u otra superficie. Se ha pronosticado que las CS de la segunda generacin van a dominar el mercado residencial, conforme se investiguen y produzcan celdas con nuevos materiales que presenten mayor eficiencia de conversin.

La tercer generacin de CS son la vanguardia de la tecnologa solar. An en la fase de investigacin, las celdas de tercera generacin han evolucionado ms all de las celdas basadas en SI. Generalmente, las celdas de la tercer generacin incluyen CS que no necesitan una unin pn como en el caso de las celdas basadas en semiconductores tradicionales. La tercera generacin, consiste de una amplia variedad de potenciales innovaciones solares, incluyendo CS de polmeros, celdas nanocristalinas, celdas cunticas y celdas sensibilizadas [3].

Por otro lado, dentro de las celdas de la tercera generacin se encuentra un tipo de celdas que ha recibido mucha atencin por sus caractersticas orgnicas. Las CS orgnicas son fabricadas con base en materiales orgnicos moleculares o polimricos. Su principal ventaja es que poseen un alto coeficiente de absorcin de la radiacin luminosa lo que permite el empleo de menor material _pelculas por debajo de la micra son tpicas_ y por ende su reduccin de costos.

El principio fsico del funcionamiento de estas celdas consiste en que un componente orgnico cede electrones cuando absorbe la radiacin luminosa, de forma anloga a un semiconductor donador, en tanto otro componente los acepta convirtindose en un aceptor. Por supuesto, este par de electrn-hueco es separado por un campo elctrico en la interfaz donador-

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aceptor y recolectados a travs de electrodos que se encuentran en cada una de las capaz orgnicas, crendose una fotocorriente.

Una de las forma de empleo de la celdas orgnicas es en forma de pinturas adheridas a diferentes superficies, logrndose dispositivos fotovoltaicos con reas mayores a 200 cm2. Se han reportado eficiencias de conversin entre 1 y 6 % para este tipo de celdas, las cuales tienen que resolver el problema de la estabilidad en el tiempo y ser compatibles con la proteccin del medio ambiente [3].

Tcnica de roco piroltico en el depsito de pelculas delgadas.

En el depsito de materiales y pelculas delgadas se han empleado muchas y variadas tcnicas, entre ellas destacan: Depsito de capas atmicas, ALD (Atomic Layer Deposition) [9], Evaporacin mediante haz electrnico [10], Evaporacin mediante un haz de electrones asistida por un haz de iones [11], Depsito qumico en fase vapor, CVD (Chemical Vapor Deposition) [12], etc. Sin embargo, la tcnica de roco piroltico ha demostrado ser un proceso eficiente para la preparacin de pelculas delgadas [13], debido a que es una tcnica sencilla y de bajo costo, adems es compatible con el depsito de pelculas semiconductoras en rea grande.

El roco piroltico es un proceso por el cual una pelcula es depositada al rociar una solucin sobre un sustrato caliente. Los componentes de la solucin impactan la superficie de la muestra, donde reaccionan para formar un compuesto qumico como una estructura en forma de disco. La forma y el tamao del disco dependen de la dinmica y el volumen de las gotas, as como la temperatura del sustrato. En consecuencia, la pelcula se compone generalmente de discos superpuestos que se convierten en xidos sobre la superficie del sustrato caliente. Los componentes qumicos son seleccionados de tal manera que los dems productos que no correspondan al compuesto deseado, sean voltiles a la temperatura de depsito. El depsito por roco piroltico se puede clasificar segn el tipo de reaccin cuando [14]:

a) La gota reside en la superficie mientras el solvente se evapora, dejando tras de s un slido que adems puede reaccionar en estado seco.

b) El solvente se evapora antes de que la gota alcance la superficie y el slido seco incide sobre la superficie.

c) El solvente se evapora mientras la gota se aproxima al sustrato, el slido se derrite y se evapora y el vapor se difunde hacia el sustrato.

d) Toda la reaccin se lleva a cabo en el estado vapor.

Un esquema general de un sistema de roco piroltico se presenta en la figura 6. En esta tcnica se pueden emplear diferentes soluciones para obtener diferentes tipos de pelculas. Un sistema de roco piroltico es particularmente til para el depsito de xidos metlicos, xidos

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semiconductores, calcogenuros binarios y terciarios y, pelculas delgadas superconductoras [14-15].

Figura 6. Sistema general de roco piroltico o roco piroltico.

En particular, esta tcnica se ha convertido en un mtodo importante para el depsito de pelculas conductoras transparentes tales como el xido de Estao dopado con Flor o Fluorinado (FTO) o el xido de Estao dopado con Indio (ITO) [15-16] o el depsito de pelculas semiconductoras de materiales compuestos [17-18]. Para llevar a cabo la tcnica de roco piroltico se involucra muchos procesos que ocurren en forma simultnea o secuencial. El depsito uniforme de la pelcula depende de los pasos del proceso posterior a rociar la solucin sobre el sustrato. Las pelculas deben permanecer estables durante estas etapas del proceso. Una desventaja del roco piroltico es la reproducibilidad, de hecho para obtener una pelcula con una buena morfologa y una estructura homognea, algunos parmetros importantes deben ser controlados, tales como: la composicin de la solucin precursora, la generacin del aerosol y el transporte, la evaporacin del solvente, la temperatura de la superficie, las secuencias del roco, las dimensiones de las gotas, as como el ngulo y la direccin desde la que se lleva a cabo el proceso de roco. Sin embargo, una vez que se tienen caracterizados dichos parmetros, se puede obtener un proceso reproducible de depsito de pelculas.

Adems de los compuestos en pelcula delgada ms ampliamente estudiados para su uso en CS (CdS, Cu2S, CdTe y CuInSe2), actualmente se realizan investigaciones sobre nuevos materiales que muestren, a partir de sus propiedades fsicas, potencial de aplicacin en tales dispositivos.

La optimizacin de varios de los procesamientos involucrados en el desarrollo de heteroestructuras fotovoltaicas empleando diferentes materiales semiconductores permite alcanzar uniformidad de las pelculas en un rea mayor que 100 cm2 [19-22]. Por otra parte, debido al costo y escasez de muchos de los elementos empleados para obtener dichos materiales semiconductores, se requiere el desarrollo de nuevos sulfuros ternarios para aplicaciones

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fotovoltaicas de bajo costo, sencilla obtencin y procesos capaces de aplicarse para obtener superficies grandes. El uso de un sistema de roco piroltico se ha establecido como una tcnica de fcil empleo y econmica para el depsito y desarrollo de materiales semiconductores compuestos como son las pelculas ternarias y cuaternarias (ver figura 7).

Figura 7. Estructura de una celda fotovoltaica utilizando un material cuaternario (CZTS) depositado con una tcnica de roco piroltico.

Entre los compuestos ternarios y cuaternarios semiconductores, los compuestos de sulfuro de cobre (Cu) con estao (Sn) y zinc (Zn) surgen como una importante y menos costosa alternativa para una eficiente conversin de energa en el futuro [23-26]. La motivacin principal es aprovechar la alta movilidad del cobre en el compuesto de sulfuro de cobre (Cu2S) al combinarlo con el sulfuro de estao (SnS) e incorporar el sulfuro de zinc (ZnS) o selenuro de zinc (ZnSe) para obtener un material cuaternario semiconductor tipo-p, Cu2ZnSnS4 (abreviado CZTS) y Cu2ZnSnSe4 (abreviado CZTSe) durante el proceso de roco piroltico sobre substratos de gran rea.

IV. Hiptesis La hiptesis de este proyecto est dirigida a la obtencin de nuevos materiales para fabricar

dispositivos fotovoltaicos de gran rea y bajo costo, mediante la tcnica de roco piroltico. Los materiales propuestos CZTS y CZTSe debern proveer la suficiente eficiencia de conversin para ser integrados en las CF sin pasos adicionales en el proceso estndar que hagan ms complejo y costoso el proceso de fabricacin. Para la obtencin de los materiales surgen las siguientes preguntas: Los nuevos materiales, CZTS y CZTSe, obtenidos a travs de la tcnica de roco piroltico tendrn una mejora importante en la eficiencia de conversin de energa con respecto a los materiales convencionales? Se reducir de manera importante el costo de fabricacin de las CF? En este contexto tambin se deber investigar, si los nuevos materiales son menos txicos y si proveen la conversin de energa necesaria para obtener CF con una buena eficiencia.

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V. Objetivos

Objetivo General

Desarrollo de celdas fotovoltaicas de gran rea con nuevos materiales, utilizando un sistema de roco piroltico para el depsito de pelculas cuaternarias como CZTS y CZTSe, conocidas como kesteritas y emplearlas como regin tipo-p en los contactos posteriores de las celdas.

Objetivos Especficos Disear e implementar un sistema de roco piroltico de varias boquillas para el depsito

de materiales cuaternarios de pelcula delgada para utilizarse en celdas fotovoltaicas de gran rea.

Desarrollar el sistema de automatizacin para el sistema de roco piroltico.

Depositar pelculas de (CZTS, CZTSe) depositadas sobre vidrio por roco piroltico y el apilamiento de pelculas metlicas precursoras por sputtering.

Caracterizacin de las pelculas de (CZTS, CZTSe) mediante mediciones de transmitancia, reflectancia, difraccin de rayos X (XRD), anlisis de la morfologa superficial (AFM, SEM), composicin qumica (EDS, Raman), resistividad y fotorespuesta.

Diseo y caracterizacin de dispositivos fotovoltaicos empleando barrera Schottky y una unin CdS/(CZTS, CZTSe). Los dispositivos sern analizados mediante mediciones de I-V, C-V, fotorespuesta, medicin de eficiencia y anlisis de la interface por SEM.

Obtener las propiedades morfolgicas y estructurales de los materiales para seleccionar los que presenten mejores como elemento fotovoltaico.

Estudiar mediante simulaciones en 2D y 3D (Silvaco, Synopsys) los factores que permitan predecir el desempeo de los dispositivos en base a los parmetros ms importantes de los materiales.

Desarrollar el proceso de fabricacin de los dispositivos basndose en las reglas de diseo de la tecnologa de silicio.

VI. Metas

Generar conocimiento en el rea de los dispositivos fotovoltaicos y en el campo de la ingeniera de materiales mediante el desarrollo de CF de gran rea.

Caracterizacin y automatizacin del un sistema de roco piroltico empleando diferentes boquillas con la finalidad de depositar pelculas delgadas de CZTS y CZTSe.

Estudiar y caracterizar sistemticamente las propiedades fotoelctricas y estructurales de las pelculas obtenidas.

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Determinar mediante la simulacin en 2D y 3D el comportamiento que pueda predecir el funcionamiento de las CF, analizando las variables fsicas y de diseo.

Realizar el diseo y la fabricacin de las CF de gran rea.

Publicar artculos cientficos en revistas de circulacin nacional e internacional y participacin en congresos donde se den a conocer los resultados de la investigacin.

VII. Metodologa Para concluir de manera exitosa este proyecto se requiere la ejecucin de una serie de actividades tanto de diseo, anlisis y experimentales las cuales forman parte de cada una de las etapas del proyecto.

A. Diseo del sistema de depsito Estudiar y analizar el estado del arte de los sistemas de roco piroltico con varias

boquillas que son utilizados para el depsito de materiales de pelcula delgada.

Diseo e implementacin del sistema de roco piroltico con tres o cuatro boquillas.

Investigar y caracterizar un sistema de roco piroltico implementado con varias boquillas con la finalidad de obtener pelculas delgadas y uniformes.

Automatizacin del sistema de roco piroltico con motores a pasos, una tarjeta de adquisicin de datos de National Instruments y una computadora, con la finalidad de optimizar los depsitos uniformes de pelculas de CZTS y CZTSe sobre substratos de gran rea.

B. Elaboracin del anlisis: Estudiar y analizar el estado del arte de los materiales cuaternarios de pelcula delgada

que son utilizados en CF de gran rea, comparar las figuras de mrito y parmetros, para posteriormente determinar la posibilidad de crear dispositivos fotovoltaicos ms eficientes.

Investigar las arquitecturas y diseos de las CF con materiales cuaternarios con el propsito de definir ventajas y desventajas y los posibles problemas de solucionar.

Diseo de los prototipos geomtricos (layout) de las celdas para determinar su estructura.

Simular las condiciones pticas y elctricas de las celdas para predecir su desempeo ante las diferentes variables fsicas con herramientas de software _luminous y Pisces de Silvaco_ para dispositivos fotovoltaicos; con el fin de determinar una relacin de los aspectos fsicos y fotoelctricos que definan su desempeo.

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C. Proceso de caracterizacin: Se realizar un estudio sistemtico de los materiales de pelculas delgadas CZTS y CZTSe. Esto

nos permitir depositar estos materiales mediante la tcnica de roco piroltico en dos tipos de sustratos vidrio y silicio. Los datos disponibles en la literatura, la experiencia de los participantes del proyecto, y experimentos previos del depsito de estos materiales en la UACJ se usaran como fuente de informacin para determinar la influencia de las condiciones del depsito sobre las propiedades de las pelculas obtenidas.

Las propiedades estructurales de las pelculas se caracterizaran por medio de las tcnicas:

SEM, TEM y EDS para evaluar la composicin, la interaccin con los elementos, la morfologa y porosidad.

XRD para determinar las propiedades estructurales y el tipo de orientacin preferencial.

Caracterizacin de las propiedades fotoelctricas: El desempeo de las CS depende de la respuesta al espectro de radiacin solar de las

diferentes capas que la conforman; por consiguiente es necesario investigar si efectivamente estas tienen propiedades pticas adecuadas para cumplir con su funcin especfica dentro del dispositivo. Por ejemplo, la capa absorbente debe tener un alto coeficiente de absorcin, mientras que las capas que conforman la ventana ptica del dispositivo deben ser altamente transparentes a la radiacin solar, para lo cual es deseable que estas tengan una brecha de energa prohibida grande.

Las propiedades pticas de un material semiconductor se determinarn a travs del conocimiento de sus constantes pticas (ndice de refraccin, coeficiente de absorcin y brecha de energa prohibida o Eg), las cuales pueden ser obtenidas a partir de medidas experimentales de la transmitancia espectral, elipsometra espectroscpica y clculos tericos, usando modelos que tienen en cuenta los fenmenos de interferencia observados en los espectros de transmitancia.

Validacin y verificacin de los resultados experimentales con los anlisis tericos.

Comparacin y discusin de los resultados con otros trabajos de referencia.

VIII. Grupo de trabajo Con el apoyo de este proyecto tambin se pretende fortalecer el desarrollo de procesos de fabricacin de dispositivos fotovoltaicos en Mxico y beneficiara el fortalecimiento de redes inter-institucionales UACJ, BUAP, CIE y UdeG a travs de una investigacin multidisciplinaria. Adems que se propicia la vinculacin con otros cuerpos acadmicos, entre los que estn el de ciencia de materiales de la UACJ.

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Instituciones participantes 1. Universidad Autnoma de Ciudad Jurez (UACJ).

2. Instituto Nacional de Astrofsica, ptica y Electrnica (INAOE).

3. Benemrita Universidad Autnoma de Puebla (BUAP).

4. Centro de Investigacin en Energa (CIE).

5. Universidad de Guadalajara (UdeG).

Integrantes 1. Dr. Abimael Jimnez Prez - UACJ

Experto en el modelado y simulacin de dispositivos semiconductores. Colaboracin: anlisis de la fsica de los dispositivos fotovoltaicos a travs de simulaciones en 2D utilizando las diferentes herramientas de software con las que se cuenta en el CICTA.

2. Dr. Karim Monfil Leyva - BUAP

Experto en sntesis de materiales y procesos de fabricacin de dispositivos semiconductores. Colaboracin: depsito de pelculas delgadas de materiales a travs de la tcnica de roco piroltico.

3. Dr. Roberto Carlos Ambrosio Lzaro - UACJ

Experto en procesos de fabricacin y caracterizacin de dispositivos semiconductores. Colaboracin: desarrollo del proceso de fabricacin y las tcnicas de caracterizacin de los dispositivos.

4. Dr. Mario Moreno Moreno INAOE

Experto en procesos de obtencin de materiales semiconductores para celdas fotovoltaicas, depsito y caracterizacin. Colaboracin: Simulador para celdas solares, se encargara de extraer parmetros de eficiencia cuntica.

5. Dr. Sebastian Pathiyamatttom Joseph - CIE-UNAM

Experto en el diseo, fabricacin y caracterizacin de celdas solares de pelcula delgada, as como tambin, de celdas de hidrgeno. Tiene 20 aos de experiencia en el rea de energas renovables. Colaboracin: depsito y caracterizacin de pelculas delgadas de materiales a travs de la tcnica de roco piroltico.

6. Dra. Amanda Carrillo Castillo UACJ.

Experta en el desarrollo y estudio de pelculas y nanopartculas semiconductoras a base de calcogenuros preparadas por va hmeda para electrnica flexible. As como sntesis y caracterizacin de materiales hbridos preparados por el proceso sol gel para su aplicacin

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en electrnica flexible. Colaboracin: proceso de sntesis de los materiales CZTS y CZTSe y la caracterizacin de pelculas delgadas de materiales.

7. Dr. ngel Sauceda Carvajal UACJ

Experto en caracterizacin de dispositivos pticos. Colaboracin: desarrollo de tcnicas de caracterizacin ptica de los materiales para celdas fotovoltaicas.

8. Dr. Jos Mireles Jr. Garca UACJ

Experto en procesos de fabricacin y caracterizacin de MEMS. Colaboracin: diseo y fabricacin de las celdas fotovoltaicas.

9. Dr. Carlos Alberto Martnez - UACJ

Colaboracin: Experto en ciencias de los materiales. Colaboracin: Depsito y obtencin de los materiales CZTS y CZTSe.

10. Dr. Jos Antonio Muoz Gmez - UdeG

Experto en cmputo de alto desempeo y ciencias computacionales. Colaboracin: determinacin de las condiciones de frontera, los mtodos numricos de solucin ms ptimos y las mejores tcnicas de mallado para cada uno de los dispositivos simulados en las herramientas de Silvaco.

IX. Infraestructura disponible En el laboratorio del Centro de Investigacin en Ciencia y Tecnologa Aplicada (CICTA) de la

UACJ se cuenta con equipos especiales para la caracterizacin de dispositivos semiconductores.

Estacin Microposicionador. - Para implementar los ensambles y pruebas elctricas de los dispositivos fotovoltaicos.

Estacin de Pruebas con un analizador de parmetros de semiconductores (SPA) B1500A-Agilent.- Para la caracterizacin elctrica de las celdas fotovoltaicas.

Sistema de roco piroltico para el depsito de los materiales con varias boquillas electrnicas.

Cortadora de obleas.- Para la separacin de dispositivos construidos en las obleas de silicio.

Horno de difusin.

Sistema de depsito de metales, sputtering.

Sistema DRIE - grabado profundo de iones reactivos (OXFORD PlasmaProTM

System100).

Equipo para medir los tiempos de vida en semiconductores de pelcula delgada

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(WCT-120: The Standard R&D Wafer-Lifetime Tool).

Cuarto limpio con rea de cuarto amarillo.

Generador de patrones lser (LaserWriter MICROTECH).

Equipo de laboratorio de propsito general.- Este equipo se encuentra instalado en los laboratorios de la universidad: Osciloscopios, Generadores de Seales, etc.

Infraestructura disponible en el laboratorio de materiales de la UACJ. Espectrofotmetro UV-V, XRD-Equipo de Rayos-X Siemens acoplado con

gonimetro para trabajar en modo reflectividad.

Equipo de depsito de pelculas delgadas Magnetron sputtering.

Espectrofotmetro FT-IR, Nicolet Magna 500.

Microscopio de barrido electrnico (SEM) JEOL JSM 7000F equipado con detector de electrones secundarios retrodispersados, transmitidos y de rayos X (EDS- EBDS).

Infraestructura disponible en el INAOE. Cuarto limpio (Laboratorio Nacional de Nanoeletrnica), con procesos de

fabricacin de circuitos integrados de silicio.

Equipo de caracterizacin elctrica.

Infraestructura disponible en la BUAP. Microscopio de barrido electrnico.

Equipo de difraccin de rayos x, espectrofotmetro para medicin de transmitancia y reflectancia en el rango del UV al visible.

Estacin de medicin de curvas I-V.

Infraestructura disponible en el CIE. Simulador solar.

Equipo para depsito por sputtering

Espectrofotmetro de UV-Vis, AFM y SEM-EDS.

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Infraestructura disponible en la UdeG. Estaciones de trabajo de 8 y 12 ncleos.- Para realizar parte de las simulaciones

elctricas, pticas de los dispositivos.

X. Resultados esperados El desarrollo de una comprensin bsica de los problemas definidos en las secciones

anteriores facilitara la transferencia de tecnologa a gran escala de produccin. Cabe sealar que se obtendr slo un prototipo del sistema y que el beneficiario, el grupo MISCELEC Jurez S. A. de C. V., en base a los resultados obtenidos, realizar un estudio de factibilidad para desarrollar un sistema a nivel industrial para la fabricacin de celdas solares de gran rea. Lo anterior sin duda, permitir un crecimiento revolucionario de la industria fotovoltaica.

Como resultado de la propuesta, se pretende obtener dispositivos fotovoltaicos de gran rea mediante la tcnica de roco piroltico. Los dispositivos tendrn una estructura tipo Aluminio / xido de Indio, dopado con Flor / Sulfuro de Cadmio / CZTS / xido de Indio / Vidrio. Las ventajas esperadas son: dispositivos de bajo costo, durabilidad, mayor absorcin e incremento en la conversin de la energa.

Entre los resultados esperados ms importantes, se puede mencionar la generacin de recursos humanos altamente capacitados, a travs, de la incorporacin de estudiantes de licenciatura y posgrado al proyecto de investigacin. Los estudiantes realizaran prcticas, desarrollo de tesis de licenciatura y maestra durante los dos aos del proyecto. Finalmente, se promover la investigacin de fuentes de energa renovable, y se establecer un prototipo de proceso en lnea para la fabricacin de celdas y paneles solares eficientes basados en nanotecnologa de pelcula delgada empleando elementos abundantes en la corteza terrestre.

XI. Entregables El trabajo de investigacin propuesto tiene como finalidad la fabricacin de dispositivos

fotovoltaicos con nuevos materiales fotovoltaicos. Se realizaran diseos, simulaciones 2D y caracterizaciones de los materiales y dispositivos fabricados. Con la investigacin realizada en este proyecto, la cual fue proyectada a dos aos, se pretende obtener:

a) La fabricacin de dispositivos fotovoltaicos de bajo costo basados en pelculas de CZTS y CZTSe que sean reproducibles a nivel industrial.

b) Fabricacin de dispositivos fotovoltaicos de gran rea y bajo costo que sean reproducibles a nivel industrial.

c) 3 Artculos en revistas cientficas de circulacin internacional de riguroso arbitraje: Journal of Material Research, Thin Solid Films, Journal of Non Crystalline Solids.

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d) 4 Presentaciones en congresos cientficos de reconocido prestigio y del rea de estudio: Material Research fall and Spring Meeting, IEEE Photovoltaic Specialist Conference, International Semiconductor Device Research Symposium, entre otros.

e) Formacin de 2 maestros en ciencias _uno del programa de maestra en materiales y otro del programa de maestra en ingeniera elctrica_.

f) Formacin de 4 ingenieros del departamento de ingeniera elctrica y computacin de la UACJ.

g) Proceso de fabricacin documentado y transferido el conocimiento a las instituciones participantes.

XII. Presupuesto Gasto Corriente: Semestre Rubro

Ene-Jun 2013 (Etapa 1)

Jul Dic 2013 (Etapa 2)

Ene-Jun 2014 (Etapa 3)

Jul Dic 2014 (Etapa 4)

Total

Acervos bibliogrficos 7,000 7,000 14,000 Apoyo a Formacin de Recursos Humanos

25,000 25,000 25,000 25,000 100,000

Artculos Materiales y Consumibles

20,000 20,000 20,000 10,000 70,000

Cuotas de Inscripcin 10,000 10,000 20,000 Estancias Colaboradores del Proyecto

40,000 40,000 80,000

Pasajes 20,000 20,000 40,000 Viticos 35,000 35,000 70,000 Licencia de las herramientas TCAD de SILVACO

60,000 60,000

Total Gasto Corriente 454,000 Gasto de Inversin Semestre Rubro

Ene-Jun 2013 (Etapa 1)

Jul Dic 2013 (Etapa 2)

Ene-Jun 2014 (Etapa 3)

Jul Dic 2014 (Etapa 4)

Total

Estacin de trabajo Dell y Equipo de computo.

50,000 30,000 80,000

Microscopio ptico 40,000 40,000 Tarjeta de adquisicin National Instruments

40,000 40,000

Boquillas de aspersin 62,000 62,000 Motores a pasos 3,000 3,000 Total Gasto de Inversin

225,000

TOTAL GC+GI 679,000

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XIII. Programa de actividades anual

Primer Ao (2013)

1. Investigacin y estudio del estado del arte de los materiales CZTS y CZTSe, y de las CF.

2. Adquisicin del equipo para la implementacin del sistema de roco piroltico y la automatizacin del sistema.

3. Diseo e implementacin del sistema de roco piroltico con tres o cuatro boquillas.

4. Preparacin y depsito de pelculas CZTS. Se iniciara a co-dirigir a un alumno en conjunto con el postgrado de la UACJ.

5. Caracterizacin estructural, morfolgica y fotoelctrica de las pelculas CZTS para seleccionar la que presenten mejor eficiencia de conversin.

6. Elaboracin de un artculo con los resultados de caracterizacin del material CZTS obtenidos en la etapa.

7. Simulacin de las CF usando el software Atlas de Silvaco.

8. Examen de grado de dos estudiantes de licenciatura.

Segundo Ao (2014)

1. Adquisicin de un microscopio ptico para el anlisis de las pelculas depositadas con el sistema de roco piroltico.

2. Caracterizacin y automatizacin del sistema de roco piroltico.

3. Preparacin y depsito de pelculas CZTSe. Se iniciara a co-dirigir a un alumno en conjunto con el postgrado de la UACJ.

4. Caracterizacin estructural, morfolgica y fotoelctrica de las pelculas CZTSe para seleccionar la que presenten mejor eficiencia de conversin.

5. Elaboracin de un artculo con los resultados de caracterizacin del material CZTSe obtenidos en la etapa.

6. Desarrollo del diagrama de flujo de proceso y la fabricacin de las CF de gran rea.

7. Elaboracin de artculo con los resultados del diseo del sistema de roco piroltico.

8. Examen de grado de dos estudiantes de licenciatura y dos de maestra.

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