Calcogenetos fotovoltaicos: pontos quânticos, nanofios e filmes finos

• Autor(a) principal: Henrique Limborço
• Data de Publicação: 2017
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Institucional da UFMG
• Texto Completo: http://hdl.handle.net/1843/BUOS-AUUL5T
• topic: Fisica; Calcogeneto; Nanofios; Pontos quânticos; Filmes finos; Celulas solares

As células solares policristalinas de maior eficiência são baseadas nas camadas absorvedoras dos compostos de Cu(In,Ga)Se2 (CIGS). Visando à aplicação dos conceitos de células solares nanoestruturadas, as nanoestruturas 0D e 1D de CuInSe2 (CISe) são de grande interesse. Neste trabalho mostramos processos de crescimento compatíveis com técnicas de vácuo, coevaporação, em superfície amorfa de nanofios (NWs) e nanodots (NDs). O processo apresentado para o crescimento de NWs resulta em amostras compostas por NWs de CISe crescidos no topo de uma camada base policristalina de CISe. As nanoestruturas foram extensamente caracterizadas por microscopia eletrônica de transmissão, confirmando a sua composição e estrutura cristalina com baixa densidade de defeitos estruturais. A Partir dessas análises, inferimos que os NWs crescem ao longo da direção cristalina [111]. A camada base policristalina possui estrutura tetragonal e é opticamente ativa, conforme comprovado por experimentos de difração de raios-x e fotoluminescência, respectivamente. O potencial de aplicação para conversão de energia fotovoltaica do material composto camada-base/NWs de CISe é mostrado através da refletividade reduzida do material e sua intensa emissão de fotoluminescência. As propriedades das amostras de NDs crescidas por coevaporação,tais como, densidade superficial das nanoestruturas, tamanho médio e energia de emissão ótica, podem ser controladas através da mudança na temperatura do crescimento. Experimentos de microscopia eletrônica de transmissão confirmam a cristalinidade dos NDs, assim como sua composição química e estrutura cristalina compatível com CuInSe2. Experimentos de fotoluminescência dos NDs passivados com CdS mostram que as nanoestruturas são ativas optoeletrônicamente com uma emissão larga, que se estende para energias acima do bandgap do CuInSe2 e, em concordância com a distribuição de tamanhos. Um desvio para o azul da luminescência é observado quando o tamanho médio dos NDs diminui, evidenciando os efeitos de confinamento quântico em todas as amostras. Usando cálculos simples de confinamento quântico, correlacionamos a energia de pico da emissão de fotoluminescência com os tamanhos médios dos NDs. As células solares baseadas na tecnologia dos compostos Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) já nos primeiros passos de implementação mostraram grande potencial para coleção de energia solar com baixo custo quando comparadas às tecnologias do CIGS (devido à escassez de In e seu alto custo, que limitam sua aplicabilidade). Um assunto importante na fabricação das células solares de CZTSe é o controle das fases cristalinas e da composição química durante a deposição, já que a formação de compostos secundários e ternários é favorecida em condições de crescimento fora da estequiometria. Devido às similaridades estruturais, torna-se uma tarefa difícil identificar a presença de tais fases indesejáveis, como Cu2SnSe3 (CTSe), que possui bandgap pequeno e pode formar curtos-circuitos na camada absorvedora. Neste trabalho produzimos amostras de filmes finos de CTSe por coevaporação e as amostras foram analisadas por experimentos de elipsometria espectroscópica. Com a parametrização dada para a função dielétrica do CTSe, a identificação da presença do composto ternário nos filmes de CZTS pode ser realizada in situ, de forma rápida e não destrutiva. Os métodos apresentados para crescimento de nanoestruturas de CISe e filmes finos de CTSe são baseados na evaporação dos elementos constituintes sob condições de vácuo utilizando substratos de Si, o que os torna compatíveis com a fabricação de dispositivos fotovoltaicos de alta eficiência e permite a integração com a maioria das técnicas utilizadas na indústria de semicondutores.