Por: Daniel Hernández Pitalúa 1 | Hugo Amílcar León Bonilla 2 | Lizbeth Angélica Castañeda Escobar 3 | Juan Carlos Díaz Carrillo 4

En el presente artículo se muestra el desarrollo experimental desde el punto de vista de un modelo matemático realizado en el Laboratorio de Ciencia y Tecnología Sustentable (LACyTES) de la Universidad Autónoma de la Ciudad de México acerca del proceso de depósito y caracterización de Teluro de Zinc (ZnTe) por medio de una matriz experimental propuesta con diferentes valores de presión y temperatura. Se utiliza el proceso de pulverización catódica magneto planar (Sputtering RF) el cual consiste en ejecutar una onda energética a través de un gas inerte en una cámara de vacío que se ioniza. El material o cátodo (target) que, se convierte en el recubrimiento de película delgada es bombardeado por estos iones de alta energía que pulverizan átomos como una pulverización fina que cubre el sustrato a recubrir. Dentro de la experimentación y las mediciones se encontraron espesores entre los 500 nm cuando el depósito se hizo del lado conductor (que contiene una capa manométrica de óxido de estaño) y de 445 nm en promedio cuando se depósito del lado no conductor. También se demostró que los resultados de la absorción y la transmitancia son típicos del Telurio de Zinc (ZnTe) así como que también hay una razón de depósito (rate) que depende de la presión a la que se realizaron los depósitos.

Introducción

Es común utilizar modelos matemáticos en muchos ámbitos, como los sistemas de control, la estadística, el análisis de muestras etc. Pero dentro de ámbito del diseño experimental, el modelado matemático permite ahorrar número de tratamientos con predicciones suficientemente confiables para ahorrar tiempo y dinero, es por eso que en experimentación es importante utilizarlos para poder eficientar toda clase de recursos.

La celda solar es el dispositivo que basa su funcionamiento en el proceso de conversión de la energía del Sol que recibe radiación directa o difusa. La base física del funcionamiento solar es llamado efecto fotovoltaico. En 1839 el físico francés Edmond Berquerel encontró que algunos materiales al ser expuestos a la luz o rayos del Sol presentaban una diferencia de potencial y conectados a una carga eléctrica se establecía un flujo de corriente.

Las celdas solares de película delgada son un tipo de celda fotovoltaica que hoy en día compiten con tecnologías basadas en materiales monocristalinos como las de Silicio. Una de las ventajas es que los precios de las celdas de película delgada son menores a las convencionales de Silicio, se utiliza menos material, su fabricación es sencilla y su desempeño no es afectado por las altas temperaturas.

Estudiosos del tema reportan la dependencia del índice de refracción, absorción y extinción en el fotón incidente para películas de teluro de Zinc (ZnTe) depositado en un sustrato de vidrio, presentando una banda “gap” policristalina directa e indirecta de 2.23 eV y 2.56 eV, lo cual hace propicio a este material para aumentar el voltaje d la celda completa, además de reducir el número de electrones recombinados en la misma.

Materiales y métodos

Como parte del proyecto de investigación y desarrollo de celdas fotovoltaicas en el laboratorio LACyTES de la Universidad Autónoma de la Ciudad de México, en este caso utilizando ZnTe como un semiconductor tipo p se utilizó el método de erosión catódica magneto planar de radiofrecuencia (Sputtering RF) para su posible aplicación en celdas se han realizado estudios de espesores en perfilómetro, cálculo de absorción y de transmitancia.
El Sputtering RF es un método en el que los iones acelerados de gas inerte de alta energía inciden en el material objetivo (target) formando así plasma para expulsar, o pulverizar, átomos o pequeños grupos de la superficie, que posteriormente se depositan en el sustrato a alta presión. En la pulverización catódica (vidrio TEC 15), se usan dos electrodos, un electrodo es el material objetivo (target) y el otro es el sustrato, y en el medio hay iones de gas inerte. En este caso la fuente que crea la formación de los iones durante el proceso es de corriente alterna (radiofrecuencia). (Ilustración 1 2 y 3).

Sputering RF

Ilustración 1 Cámara de vacío del equipo de erosión catódica magneto planar. a) Externa b) Interna

Es así como se propuso una matriz experimental con los siguientes parámetros y se realizaron 6 depósitos de ZnTe sobre vidrios TEC 15 que previamente fueron cortados, lijados y lavados. Estos 6 depósitos se realizaron de la siguiente manera:

Tabla 1 Matriz Experimental ZnTe para depósitos Sputtering RF.

Ilustración 3 Material depositándose (ZnTe) en sustrato de vidrio.

Resultados
Posteriormente se midieron los espesores en el perfilómetro, razón de depósito (rate) así también los valores de transmitancia y de absorción que se muestran en las siguientes tablas y gráficas:

Tabla 2 Razón de depósito de ZnTe variando temperatura y presión.

Ilustración 4 Gráfico de superficie de tabla 2.

Ilustración 5 Correlación de Rate a 250 °C de tabla 2.

Ilustración 5 Correlación de Rate a 250 °C de tabla 2

Ilustración 6 Grafico de superficie de respuesta de tabla 3.

Ilustración 7 Correlación de Tiempo de depósito a 250 °C de tabla 3.

Tabla 4 Espesores medidos en el perfilómetro del lado conductor variando temperatura y presión.

Ilustración 8 Grafico de superficie de respuesta de tabla 4.

Ilustración 9 Correlación de Espesor medido en perfilómetro a 250 °C de tabla 4.

Conclusión.

En ese sentido los resultados obtenidos en este trabajo demuestran que es viable la construcción de una celda completa del tipo de película delgada basada en ZnTe ya que el costo de fabricación por el concepto de materia prima como sustitución de otros materiales disminuiría.

Se validaron las siguientes correlaciones en cuanto al crecimiento del material ZnTe:

1- Si la presión dentro de la cámara de vacío es baja, la taza de depósito (Rate, medido en Å/s) es mayor, no importando significativamente la temperatura lo cual contribuye a llevar a cabo el deposito a un mejor costo de fabricación.

2.- Si la presión dentro de la cámara de vacío es baja, el tiempo de depósito también es bajo, sin importar significativamente la temperatura lo cual contribuye a llevar a cabo el depósito a un mejor costo de fabricación.

3.- Se obtiene un mayor espesor de la capa de ZnTe, si la temperatura es mayor, sin importar significativamente la presión de la cámara de vacío.

Bibliografía.
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