El Grup de Materials i Sistemes per Energia Solar de l’IREC presenta un estudi pioner a nivell internacional sobre el desenvolupament de tècniques basades en l’espectroscòpia Raman per a la caracterització sistemàtica de fases secundàries en les noves generacions de capes absorbidores basades en calcogenurs.
Aquest estudi s’ha desenvolupat en col·laboració amb grups de recerca líders a nivell internacional en aquestes temàtiques, com ara els de la Universitat de Barcelona i de la Universitat de Luxemburg, i inclou la caracterització resolta en profunditat de capes primes de Cu2ZnSnS4 (CZTS) i Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) per a aplicacions fotovoltaiques (PV). Aquests compostos estan suscitant un interès creixent en els darrers anys respecte a la substitució de capes absorbidores de calcopirites basades en aliatges de Cu (In,Ga)(S,Se)2 (CIS) en cel·les solars i mòduls fotovoltaics de capa prima de baix cost i alta eficiència.
En relació amb les tecnologies basades en CIS, els compostos CZT(S,Se) estan formats únicament per materials abundants en l’escorça terrestre i no tòxics, la qual cosa els fa més apropiats per a la implementació a gran escala que es requereix en els propers anys per aconseguir que aquestes tecnologies puguin arribar a competir de manera significativa amb les tecnologies convencionals basades en fonts d’energia no renovables. Tanmateix, els dispositius desenvolupats amb aquests materials encara tenen eficiències de conversió fotovoltaica relativament baixes (amb un valor rècord de prop del 10%), és a dir, considerablement inferiors a les obtingudes en cel·les basades en CIGS (que presenten una eficiència rècord del 20,3% a nivell de cel·la). Una de les raons d’aquest valor baix en l’eficiència dels dispositius és la presència potencial de fases secundàries que es poden formar en diferents regions de les capes absorbidores i que determinen una degradació de les característiques dels dispositius. L’anàlisi del diagrama de fases del sistema Cu2S-ZnS-SnS2 prediu l’existència d’un rang molt limitat de composicions corresponents a l’existència d’una única fase CZTS lliure de fases secundàries. La identificació d’aquestes fases mitjançant tècniques de difracció de raigs X (XRD) es veu compromesa per valors similars en la posició dels pics característics de les diferents fases. A més a més, l’obtenció d’informació sobre la localització d’aquestes fases en el gruix de les capes no és fàcil a partir de mesures d’XRD i requereix la realització de mesures més complexes en condicions d’incidència rasant.
La recerca desenvolupada a l’IREC ha permès demostrar el potencial de les tècniques basades en l’espectroscòpia Raman per a la caracterització sistemàtica resolta en profunditat d’aquestes capes complexes. Els primers resultats obtinguts s’han donat a conèixer en dos articles publicats a la prestigiosa revista Applied Physics Letters de l’American Physical Society [A. Redinger et al., Appl. Phys. Lett. 98 101907 (2011); X. Fontané et al., Appl. Phys. Lett. 98 181905 (2011)]. En aquests articles es presenten les primeres evidències experimentals directes reportades a la literatura sobre la formació de les fases secundàries ZnS i ZnSe a la regió posterior de les capes que són potencialment responsables d’un empitjorament de la resistència en sèrie dels dispositius. La correlació d’aquestes dades amb la caracterització electroòptica dels dispositius desenvolupats amb aquestes capes permetrà aclarir l’impacte de la presència d’aquestes fases en l’eficiència de les cel·les solars, la qual cosa és fonamental per poder plantejar l’optimització d’aquestes tecnologies.
