DISEÑO DE SISTEMAS HÍBRIDOS MIL-125-NH2‖Cu2ZnSnS4 PARA MEJORAR LA EFICIENCIA DE FOTOCORRIENTE EN DISPOSITIVOS FOTOVOLTAICOS

Resumen

Introducción: Las películas de kesterita (Cu₂ZnSnS₄-CZTS) son promisorias capas absorbentes de radiación en celdas solares como reemplazo de la calcopirita (Cu(In,Ga)S₂), debido a la abundancia natural de sus precursores. Por otro lado, el MIL-125-NH₂ es un armazón metalorgánico (MOF) semiconductor tipo n de gran porosidad y orden estructural que resulta en un estado de separación de cargas bajo excitación visible; características que lo vuelven atractivo para actuar como capa n/buffer sustituyendo al tradicional y neurotóxico CdS.[1] En esta presentación, se reporta el diseño, caracterización estructural, óptica y fotoeléctrica de dispositivos fotovoltaicos basados en la combinación de nanopartículas de CZTS con MIL-125-NH₂ tendientes al desarrollo de celdas solares de bajo costo, fácil obtención y ambientalmente amigables.

Resultados: El CZTS se obtuvo por hot injection en oleilamina a 240 °C. El MOF se sintetizó siguiendo una estrategia solvotermal a 150 °C a partir de isopropóxido de titanio y ácido 2-aminotereftálico en DMF:metanol. El sistema híbrido MIL-125-NH₂‖Cu₂ZnSnS₄ se obtuvo sintetizando el MOF en presencia de nanopartículas de CZTS pre-sintetizadas. La composición se moduló a partir de la cantidad agregada de CZTS. La presencia de ambas especies en el sistema compuesto se confirmó por XRD, donde el CZTS presentó un tamaño medio de cristalita de 8 nm. La caracterización por espectroscopía Raman permite descartar la formación de fases secundarias en CZTS mientras que las imágenes de SEM indican que las partículas de MOF se disponen como discos de ~600 nm decorados con CZTS. La energía de band gap óptico determinada por DRUV-Vis fue de 2,7 eV y 1,47 eV para MIL-125-NH₂ y CZTS, respectivamente; y en los sistemas híbridos se observó un aumento de la absorción conforme al aumento del porcentaje de CZTS. Las medidas de fotocorriente-potencial (I-V) se realizaron con una celda de 3 electrodos en Na₂SO₄ 0,5 M y condiciones anaeróbicas irradiando con lámpara de Xe (100 W). Se analizaron dos tipos de arquitecturas: en capas (deposición consecutiva de los materiales puros) y con el sistema híbrido MIL-125-NH₂‖Cu₂ZnSnS₄. En ambos casos, los electrodos de trabajo se prepararon por spin coating sobre vidrio conductor recubierto con una capa de TiO₂ (<100 nm). Para todas las composiciones evaluadas (5, 10, 25 y 50% p/p de CZTS), los dispositivos preparados con los sistemas híbridos mostraron un aumento de fotocorriente con respecto a la disposición en capas, resultando en un factor de mejora de 3 para MIL-125-NH₂(75%)‖Cu₂ZnSnS₄(25%). Asimismo, la fotocorriente a 0 V generada presentó un máximo para esta composición. Se propone un mecanismo para racionalizar los resultados.

Conclusiones: Se mejoró la eficiencia de dispositivos fotovoltaicos a partir del empleo de matrices híbridas debido a que se favorece la absorción de luz y se reduce la recombinación mejorando la separación y aprovechamiento de cargas.

Referencias bibliográficas: 1) Yan, T., Biosens. Bioelectron, 2020, 148, 111739.