Saludos mis estimados amigos de la comunidad científica #stem-espanol

Mientras realizaba los ensayos de síntesis del semiconductor p-CuInSe₂ pude darme cuenta de varios detalles experimentales que en ocasiones no se publican en las revistas científicas y sólo quedan plasmadas en las anotaciones internas del laboratorio, así que en este artículo les daré algunos tips sobre el proceso de síntesis y lo observado en los reactivos usados en estos experimentos.

Hace unos 4 años atrás implementamos este Método Solvotérmico para la síntesis del p-CuInSe₂ y seguimos la receta para optimizar los procesos de fabricación de una de las capas primordiales de una celda solar, el material absorbente, dedicando tiempo y conocimientos adquiridos a través de los años para aumentar la eficiencia del dispositivo optoelectrónico, aminorar los gastos de producción y ganar tiempo en la veloz carrera que implica el desarrollo tecnológico.

Trituración y tamizado de Se elemental

Al realizar el primer ensayo de síntesis, cuyo procedimiento lo presenté en mi publicación anterior Procesos químicos para obtener semiconductores usados en celdas solares hemos caracterizado el polvo cristalino y podemos discutir algunos aspectos relacionados con los reactivos y la metodología empleada en esta síntesis.

Tips del procedimiento

Método Solvotermal:

• Nota 1: La etilendiamina tiene una temperatura de fusión muy baja 8 ºC y ebullición a 116,5 ºC, por lo que emite vapores al contacto con el aire. Se debe tener máxima precaución con mezclas inflamables y explosivas!
• Nota 2: El cloruro de Indio (III) es muy higroscópico y debe manipularse en ambiente de baja humedad. No es fácil disolver los trozos grandes, por lo que se requiere triturar y hacerlo más "polvo".
• Nota 3: El Selenio debe ser “bastante triturado” en el mortero de Ágata y si es posible, pasarlo por un tamizado Nº 400 (18-148) serie fina para uniformidad de los cristales de CuInSe₂.
• Nota 4: Todos los reactivos deben colocarse junto al solvente etilendiamina dentro del contenedor de teflón y con agitación magnética por más de 2 horas y menos de 4 horas.

Caracterización básica:

Inicial: ClCu + Cl₃In + Se = 0,3522 g
• Final: CIS-ClCu: 0,2094 g
Inicial: Cl₂Cu + Cl₃In + Se = 0,3979 g
• Final: CIS-Cl₂Cu: 0,2100 g
El rendimiento entre los reactivos y el producto es cercano al 50%

Tipo de conductividad eléctrica

Para determinar el valor de la brecha de energía, se mezcló 40 mg del particulado de cada muestra con 2 ml de una solución PMMA 10 y 20 mg/ml, luego se colocaron varias gotas de esta mezcla sobre un sustrato de vidrio.

Se realizó la medición de Absorbancia vs Longitud de Onda entre 500 y 1300 nm, con los siguientes resultados para el valor de la brecha de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción:

CIS-Cl₂Cu: 1,39 eV

CIS-Cl₂Cu 10PMMA: 1,25 eV

CIS-Cl₂Cu 20PMMA: 1,27 eV

CIS-ClCu: 1,52 eV

Equipo: LAMBDA™ 750S UV/Vis/NIR Spectrophotometer from Perkin Elmer

La Absorbancia la transformamos en porcentaje de transmisión óptica (cercano al 10%) y luego aplicamos los modelos existentes para determinar el valor de la brecha de energía.

En mediciones de absorción óptica han determinado la brecha de energía de películas delgadas de CuInSe₂ sobre vidrio y han reportado E_G(AB): 1,034 eV y E_G(C): 1,266 eV [Chichibu et al, J. Appl. Phys., 83 (7), 3678-3689, 1998]. Analizando la figura anterior, se estimó E_G(ClCu): 1,52 eV y E_G(Cl2Cu): 1,39 eV, posiblemente debido a las fases secundarias presentes en estas muestras.

También se realizó la medida de Difracción de Rayos X en ambas muestras, con los siguientes resultados:

File Name : CIS-ClCu.RAW
• drive axis = Theta-2Theta - scan range = 10.00 - 80.00
scan speed = 2.0000 (deg/min) - sampling pitch = 0.0200 (deg)

Se observan los picos de difracción correspondientes al CuInSe₂, pero además están presentes los precursores Se y ClCu. Nota: En particular, esperaba la aparición de Cl₃In debido al poco tiempo de agitación magnética y baja solubilidad de este reactivo.

File Name : CIS-Cl2Cu.RAW
• drive axis = Theta-2Theta - scan range = 10.00 - 80.00
scan speed = 2.0000 (deg/min) - sampling pitch = 0.0200 (deg)

La fase del semiconductor CuInSe₂ presenta los picos de mayor intensidad, sin embargo se observan las reflexiones del Se elemental, aunque algo desplazados de los picos reportados.

Nota: Se aumentará la temperatura hasta 200 ºC y se triturará más al Se elemental para tratar de corregir la aparición de estos picos adicionales.

Los tips son mis notas en el cuaderno de trabajo para corregir
En los siguientes ensayos tendremos en cuenta estos puntos resaltados y paulatinamente iremos adaptando los procedimientos con el equipamiento que disponemos en el laboratorio, mejorando en lo posible la utilización de reactivos de alta pureza y contenedores "nuevos" para evitar la aparición de fases secundarias por impurezas.

Aportes de esta publicación.

La infraestructura tecnológica de un laboratorio es crucial en la obtención de resultados apropiados y adecuados según la línea de investigación que estemos desarrollando, esto quiere decir que la reproducibilidad de resultados en iguales condiciones de trabajo debería facilitar la fabricación de los dispositivos optoelectrónicos de manera confiable. Pienso que a paso lento, pero de manera segura, llegaremos a armar una línea de producción de dispositivos, no sólo para la investigación científica, sino también con miras en el desarrollo y avance tecnológico para la generación de energías alternativas y renovables en un corto plazo de tiempo.

Bibliografía y lecturas recomendadas:

○ Síntesis por método solvotérmico y caracterización estructural del CuInSe₂

○ Synthesis and characterization of CuInS₂ produced by the method solvothermal
○ Síntesis Solvotermal
○ Modificaciones en la metodología de síntesis solvotérmica del CuInSe₂

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