Universidad  Autónoma  de  Ciudad  Juárez  

Instituto  de  Ingeniería  y  Tecnología  

Departamento  de  Ingeniería  Eléctrica  y  computación  

   

 

“Desarrollo  de  Celdas  Fotovoltaicas  de  Gran  Área  con  Nuevos  Materiales,  utilizando  un  Sistema  de  Rocío  Pirolítico”  

     

Por:  Dr.  Abimael  Jiménez  Pérez  -‐  UACJ  Dr.  Karim  Monfil  Leyva  -‐  BUAP  

Dr.  Roberto  Carlos  Ambrosio  Lázaro  -‐  UACJ  Dr.  Mario  Moreno  Moreno  -‐  INAOE  

Dr.  Sebastian  Pathiyamatttom  Joseph  -‐  CIE-‐UNAM  Dra.  Amanda  Carrillo  Castillo  -‐  UACJ  Dr.  Ángel  Sauceda  Carvajal  -‐  UACJ  Dr.  José  Mireles  Jr.  García  -‐  UACJ  Dr.  Carlos  Martínez  Pérez  -‐  UACJ  

       

Ciudad  Juárez,  Chihuahua  Octubre  2012  

   

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 I. Resumen.  El  rápido  crecimiento  en  el  consumo  de  energía  hace  que  la  producción  de  ésta  sea  parte  de  

los   problemas   actuales   en   el   mundo.   Se   requiere   energía   para   mantener   la   producción   de  alimentos,  de  textiles,  así  como  para  transportarnos  y  comunicarnos.  

México   se   encuentra   hoy,   se   puede   decir   que   de   forma   imprescindible,   en   la   necesidad   de  establecer  cambios  en  su  paradigma  energético,  centrado  en  combustibles  fósiles,  petróleo  y  gas  natural,   para   que   diversifique   su   oferta   energética   en   base   a   energías   renovables   y   aplique  medidas  de  ahorro  y  uso  eficiente  de  energía.  

La   Secretaria   de   Energía  menciona  que   la   energía   eléctrica   generada   en  México  por   plantas  hidroeléctricas  y  geotérmicas  representan  ya  25.4  %  de  la  capacidad  del  sistema  eléctrico  nacional  y  15.1  %  de  la  generación  eléctrica  total  [1].  Sin  embargo,  existe  aún  un  importante  potencial  para  la   generación  de  energía   a  partir   de  otras   fuentes   renovables,   tales   como   la   solar,   la   eólica   y   la  hidráulica.  

Es   por   ello   que   en   esta   propuesta   el   Cuerpo   Académico   (CA)   de   Microelectrónica   de   la  Universidad  Autónoma  de  Ciudad  Juárez  (UACJ),  a  través  del  Centro  de  Investigación  en  Ciencia  y  Tecnología   Aplicada   (CICTA)   de   la   UACJ   y   en   colaboración   con   investigadores   de   otras  universidades  y  centros  de  investigación  del  país;  propone  el  desarrollo  de  investigación  científica  aplicada  en  la  fuente  de  energía  solar,  la  cual  ocupa  un  lugar  de  extraordinaria  importancia,  por  lo  que  se  refiere  a  la  cantidad  de  energía  solar  que  recibe  el  planeta.  

El   estado  de  Chihuahua   y   en   general   el  Norte  del   país   recibe  una   incidencia  de   solar   de   las  mayores  que  se  tienen  registradas  a  nivel  mundial.  Especialistas  reportan,  que  en  un  día  soleado  normal,  en  esta  región  se  reciben  del  orden  de  4  a  6  kiloWatt  hora  por  metro  cuadrado  (kWh  /  m2)  de  energía   solar.  Esto   significa  que,   comparativamente   se   recibe  en  una   superficie  de  un  1  km2,  aproximadamente  el  equivalente  de  toda  la  energía  eléctrica  que  consume  la  ciudad  de  Chihuahua  en  un  día  promedio.  

Fabricar  Celdas   Solares   (CS)   o   Celdas   Fotovoltaicas   (CF)   con   alta   eficiencia   de   conversión   y  bajo  costo  de  producción  es  uno  de   los  propósitos  fundamentales  en  aras  de  disminuir  el  precio  del  kWh  de  energía  eléctrica.  En  la  constante  búsqueda  por  bajar   los  costos,  se  han  desarrollado  dispositivos  de  película  delgada  de  diferentes  materiales  semiconductores,  siendo  el  silicio  amorfo  hidrogenado   (a-‐Si:H)   el   que   se   encuentra   desde   hace   años   en   el   mercado.   De   más   reciente  aparición  son  las  celdas  de  telururo  de  cadmio  (CdTe)  y  de  disulenuro  de  cobre  e  indio  (CulnSe2).  

Es   por   ello   que   en   este   proyecto   se   plantea   una   investigación   en   la   obtención   de   nuevos  materiales  compuestos,  conocidos  como  kesteritas  (CZTS  y  CZTSe),  para  aplicarles  en  la  fabricación  de  Celdas  Fotovoltaicas  (CF)  de  gran  área.  Los  materiales  cuaternarios  se  obtendrán  a  través  de  un  sistema  de  muy  bajo  costo  de  rocío  pirolítico  o  usualmente  conocido  como  “spray  pyrolysis”.  Por  lo  tanto,  el  objetivo  será  obtener  celdas  de  gran  área,  a  un  bajo  costo,  con  mayor  durabilidad  y  con  

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una  mejora  importante  en  absorción  y  conversión  de  la  energía.  

Finalmente,   esta   propuesta   es   congruente   con   los   objetivos   1,   2   y   3   del   plan   estatal   de  desarrollo  2010-‐2016  del  estado  de  Chihuahua,  en  el  punto  IV.  Medio  Ambiente  y  Sustentabilidad  en   el   rubro   de   Energías   Alternativas.   También,   con   este   proyecto   se   impulsará   el   desarrollo  científico  y  tecnológico  en  la  UACJ.      

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II. Originalidad  de  la  propuesta.  Actualmente,  a  nivel  mundial,  la  generación  de  energía  en  mayor  proporción,  está  basada  en  

combustibles   fósiles.   En   conjunto   el   petróleo,   carbón   y   gas   natural   representan   el   81   %;   y   con  pequeñas   contribuciones,   las   plantas   nucleares   2.8%,   siendo   muy   pequeña   la   generación   de  energía  por  otros  medios  [2].  Así  pues,  los  combustibles  fósiles  son  la  base  para  la  producción  de  energía.   Sin   embargo,   el   consumo  de   petróleo   y   carbón   para   generar   energía,   produce   grandes  cantidades   de   Dióxido   de   Carbono   (CO2),   que   se   incorpora   a   nuestra   atmósfera   y   que   ha  ocasionado  el  calentamiento  global.  Así  pues,  es  necesario  e  importante  hacer  viables  a  las  fuentes  de  energía  renovable,  puesto  que  éstas  son  formas  de  producción  de  energía  no  contaminante  y  no  agotable.  

 Con  respecto  a  la  energía  renovable  solar,  existe  una  gran  industria  de  módulos  fotovoltaicos  fabricados   usando   tecnología   de   silicio   (SI)   y   tecnología   de   película   delgada.   La   tecnología   de   SI  tiene  una  limitante  debido  a  que  el  costo  de  producción  de  módulos  fotovoltaicos  es  muy  alto,  lo  cual   hace   que   la   generación   de   energía   fotovoltaica   no   sea   competitiva   con   la   generación  convencional,  basada  en  combustibles  fósiles.  

Actualmente,   se   investiga   la   implementación   de   CF   multi-‐unión,   con   las   cuales   es   posible  obtener  una  gran  eficiencia  de  conversión  a  través  de   la   reducción  de  pérdidas  termodinámicas,  las  cuales  están  asociadas  con  la  absorción  de  fotones  con  energía  mayor  al  ancho  de  banda  de  las  capas  activas.  Por  lo  anteriormente  mencionado,  las  CF  multi-‐unión  hacen  un  uso  más  eficiente  del  espectro  total  de  la  energía  solar.  

Teóricamente,  las  celdas  de  triple  unión  presentan  una  eficiencia  del  50%  y  hasta  la  fecha,  las  celdas  de  triple  unión  fabricadas  con  materiales  III-‐V  han  alcanzado  eficiencias  superiores  al  40%.  Aunque  una  alta  eficiencia  en  las  CF  es  benéfico  para  la  disminución  del  costo  de  la  conversión  de  energía  solar,  el  impacto  de  esta  tecnología  en  el  mercado  energético  podría  verse  obstaculizado  en  cierta  medida  por  los  elevados  costos  de  fabricación  debido  a  los  procesos  de  depósito  de  baja  velocidad  y  alto  vacío,  utilizadas  para  el  crecimiento  de  cristales  semiconductores  de  alta  pureza.  

La  incorporación  de  la  tecnología  de  películas  delgadas  permite  reducir  significativamente  el  costo   de   producción   de   las   CF,   sin   embargo,   desde   el   punto   de   vista   ambiental   esta   tecnología  presenta   una   limitante   ya   que   usa   elementos   tóxicos   en   su   fabricación.   En   el   marco   de   esta  propuesta,   se   harán   aportaciones   significativas   en   el   área   de   los   materiales   fotovoltaicos,   con  énfasis  en  aquellos  que  tienen  propiedades  adecuadas  para  ser  utilizados  como  capa  absorbente  en   CS   de   gran   área,   fabricadas   con   tecnología   de   película   delgada.   La   finalidad   de   estudiar  materiales  fotovoltaicos  será  obtener  CS  de  segunda  y  tercera  generación  [3],  utilizando  técnicas  económicas  como  la  de  rocío  pirolítico.  

Por   otro   lado,   el   objetivo   de   esta   propuesta   también   consiste   en   probar   el   concepto   de   CS  multi-‐unión.  La  aplicación  de  técnicas  de  fabricación  de  bajo  costo  para  celdas  multi-‐unión  con  alta  eficiencia  puede  resultar  en  una  tecnología  novedosa  de  depósito  de  películas  delgadas  de  costos  similares   o  menores,   pero   con   una   eficiencia   de   conversión   de   energía   mucho  mayor   a   la   que  

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presentan  los  dispositivos  de  una  sola  unión.  

Debido   al   alto   costo   y   escasez,   de  muchos   de   los   elementos   empleados   en   la   obtención   de  materiales   semiconductores   con   anchos   de   banda   (Eg)   más   apropiados   para   una   absorción  efectiva  de  la  radiación  solar;  se  requiere  del  desarrollo  de  nuevos  compuestos  para  aplicaciones  fotovoltaicas  de  bajo  costo,  sencilla  obtención  y  procesos  capaces  de  aplicarse  en  paneles  solares  de  gran  área.  Entre  los  compuestos  semiconductores  ternarios  y  cuaternarios,  los  compuestos  de  sulfuro   y   selenuros   de   Cobre   (Cu)   con   Estaño   (Sn)   y   Zinc   (Zn),   tales   como  Cu2ZnSn(S,Se)4   (CZTS,  CZTSe),  surgen  como  una  importante  y  menos  costosa  alternativa  para  una  eficiente  conversión  de  energía.  En  particular,   los  materiales  cuaternarios  CZTSe  representan  una   importante  alternativa  para  combinar  las  adecuadas  propiedades  optoelectrónicas  empleando  materiales  abundantes  en  la   corteza   terrestre   y   buscando   el   desarrollo   de   dispositivos   de   bajo   costo   con   eficiencias   de  alrededor  del  11%.  De  ahí  que  una  de  las  propuestas  en  este  proyecto  es  el  desarrollo  de  películas  cuaternarias  de  CZTS  y  CZTSe  incorporando  las  tecnologías  de  fabricación  de  bajo  costo.  

La   propuesta   abordara   la   investigación   de   esta   limitación,   proponiendo   un   concepto   de  dispositivo  multi-‐unión,  donde  todas  las  capas  de  materiales  nanoestructurados  como  bloques  de  construcción,   tanto   para   las   capas   activas   como   para   los   contactos   transparentes   pueden   ser  depositadas  de  forma  secuencial,  a  través  de  técnicas  de  depósito  de  bajo  costo,  baja  temperatura  y  sin  necesidad  de  usar  equipos  que  requieren  alto  vacío  para  producir  depósitos  en  área  grande.  

v El  proyectó  está  enfocado  en   la  obtención  de  nuevos  materiales   fotovoltaicos  mediante  el  sistema   de   rocío   pirolítico,   que   además   de   tener   propiedades   adecuadas   para   utilizarlos  como   capa   absorbente   en   la   fabricación   de   CF   con   tecnología   de   película   delgada,   sean  menos  tóxicos  y  con  mayor  abundancia  en  la  naturaleza  que  los  usados  actualmente.  

v Los   nuevos   materiales   obtenidos   por   la   técnica   de   rocío   pirolítico   actuaran   como   capas  semiconductoras   para   la   formación  de   las   uniones  pn   en   los   dispositivos   fotovoltaicos.   La  investigación  para   la  obtención  de  estos  nuevos  materiales  permitirán   realizar   trabajos  de  investigación   de   calidad,   que   puedan   impactar   en   la   formación   de   recursos   humanos  capacitados   que   impulsen   el   desarrollo   de   la   industria   fotovoltaica   en   el   estado   de  Chihuahua   y   que   contribuyan   en   el   incremento   de   producción   de   energías   renovables  acordes  a  la  región.  

v En  este  trabajo  también  se  demostrara  la  factibilidad  de  obtener  materiales  conocidos  como  kesteritas   _como   CZTS   y   CZTSe_   e   integrarlos   en   el   proceso   estándar   de   silicio   para   la  fabricación   de   CF   de   gran   área   capaces   de   convertir   la   energía   solar   radiada   en   potencia  eléctrica.  A  la  fecha  las  keskeritas  es  uno  de  los  temas  de  estudio  de  mayor  potencial  a  nivel  mundial   para   el   desarrollo   CF,   por   lo   cual,   se   pretende   realizar   un   análisis   comparativo   y  determinar   la  mejor  eficiencia  de  conversión  de  energía  usando  ambos  tipos  de  kesteritas  tanto  en  sustratos  de  vidrio  como  de  silicio.  

v Finalmente   se   hace   énfasis   que   cuando   las   fuentes   de   energía   basadas   en   petróleo  

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empiecen   a   agotarse,   las   diferentes   formas   de   energía   renovable   y   principalmente   la  energía   solar   se   incrementará.   Por   lo   tanto,   la   propuesta   hecha   en   este   proyecto   no   sólo  está   direccionada   al   campo   de   la   tecnología   microelectrónica   y   de   materiales   si   no   que  también   está   dirigida   hacia   el   problema   de   proporcionar   nuevas   técnicas   de  aprovechamiento   de   la   radiación   solar.   Todo   esto   será   una   importante   contribución   a   la  emergencia  planteada  en  el  plan  estatal  de  desarrollo  2010-‐2016  del  estado  de  Chihuahua  con  respecto  al  impulso  de  proyectos  que  mejoren  el  Medio  Ambiente  y  Sustentabilidad  de  la   región   con   el   uso   de   fuentes   de   energía   renovables   y   desarrollando   tecnología   e  impactando  de  una  forma  indirecta  en  la  conservación  del  medio  ambiente.  

 

III. Antecedentes.  Las  energías  renovables  se  definen  como  aquellas  que  son  inagotables,  tengan  o  no  su  origen  

en  el  sol,  afirmando  que  el  concepto  de  “renovable”  se  refiere  a  periodos  de  consumo  que  no  sean  mayores  a  los  de  producción  o  a  los  de  generación  de  manera  natural.  

Se  sabe  que  la  reserva  de  los  combustibles  fósiles,  es  finita  y  no  renovable.  De  acuerdo  a  las  predicciones,  en  los  próximos  10  a  20  años,  comenzará  el  declive  en  la  producción  de  petróleo  [4].  También,   es   de   suma   importancia   el   cuidado  del  medio   ambiente   y   principalmente   disminuir   el  uso   de   combustibles   fósiles,   que  ha   tenido   efectos   nocivos   en   el   balance  natural   del   planeta.   A  nivel   mundial   se   producen   alrededor   de   20   x   1012   kg   de   CO2   anuales   que   son   emitidos  directamente  a  la  atmósfera,  resultando  en  un  incremento  en  la  concentración  de  CO2  en  el  medio  ambiente.  

“Es   necesario   e   importante   hacer   viables   a   las  fuentes   alternas   de   energía   o   energías   renovables,  puesto   que   éstas   son   formas   de   producción   de  energía  no  contaminante  y  no  agotable”.  

El  consumo  mundial  de  energía  se  recuperó  de  manera  importante  en  2010,  después  de  una  recesión   global   en   2009,   con   un   crecimiento   anual   del   5.4%,   muy   por   encima   del   promedio  histórico   promedio.   El   consumo   de   energías   renovables,   el   cual   no   presentó   recesión   en   2009,  continuó  con  su  tendencia  de  crecimiento  en  2010  [2].  

En   la   figura   1   se   puede   observar   que   en   2009,   las   fuentes   de   energías   renovables  suministraron   el   16%   del   consumo   energético  mundial   _considerando   la   biomasa   tradicional,   la  energía  hidroeléctrica,  eólica,  solar,  geotérmica,  biomasa  moderna  y  biocombustibles_.  

La   biomasa   tradicional,   la   cual   se   utiliza   principalmente   para   cocinar   y   para   generar  calefacción  en  zonas  rurales  de  los  países  en  desarrollo,  representa  aproximadamente  el  10%  de  la  energía  renovable  total.  La  energía  hidroeléctrica  representó  el  3.4%  y  continua  creciendo  pero  de  manera  modesta.   El   resto   de   fuentes   de   energía   renovable   representaron   aproximadamente   el  

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2.8%  en  2009.  Sin  embargo,  están  creciendo  muy  rápidamente  en  muchos  países  desarrollados,  así  como  en  algunos  países  en  desarrollo.  

Durante  el  período  comprendido  entre  finales  de  2005  a  2010,  la  capacidad  total  mundial  de  muchas   tecnologías   de   energía   renovable   _incluyendo   la   fotovoltaica,   eólica,   concentradores  solares,  sistemas  solares  de  calentamiento  de  agua  y  biocombustibles_  crecieron  a  tasas  promedio  que  van  desde  un  15%  a  casi  el  50%  anual.  En  la  figura  2  se  observa  que  la  tecnología  fotovoltaica  presentó  el  mayor  crecimiento  de  todas  las  tecnologías  renovables  durante  este  período,  seguido  por   la   tecnología   de   biodiesel   y   la   eólica.   Las   tecnologías   de   energía   solar,   presentaron   un  crecimiento  mayor  durante  2010  en  comparación  con  los  cuatro  años  anteriores.  

 Figura  1.  Distribución  del  consumo  mundial  de  energías  renovables  en  2009  (Información  tomada  de  REN21  

(2011)  [2]).  

 Figura   2.   Tasa   de   crecimiento   promedio   anual   de   la   capacidad   de   producción   de   energías   renovables   y  

biocombustibles,  entre  finales  de  2005  y  2010  (Información  tomada  de  REN21  (2011)  [2]).  

En   la   figura  3  se  presenta   la  capacidad   instalada  de  energía  eléctrica,  basada  en   fuentes  de  energía   renovable   a   nivel   mundial.   Se   pueden   observar,   que   los   cinco   principales   países   _sin  considerar   la   energía   hidroeléctrica_   fueron   Estados   Unidos,   China,   Alemania,   España   e   India.  Incluyendo  la  energía  hidroeléctrica,  China,  Estados  Unidos,  Canadá,  Brasil  e   India  empatado  con  Alemania,  fueron  los  principales  países  con  el  total  de  la  capacidad  de  energía  renovable  instalada  

01

17

16%

POWER GENERATION MARKETS

01 GLOBAL MARKET OVERVIEW

Figure 1. Renewable Energy Share of Global Final Energy Consumption, 2009

GLOBAL MARKET OVERVIEW

REN

EWA

BLE

S 20

11 G

LOB

AL

STA

TUS

REP

OR

T

GLOBAL MARKET OVERVIEW01

18

49%

60%81%

27%25%

25%77%77%

4%3%

3%3%

16%16%

23%17%17%

16%16%

38%38%7%

72%

Figure 2. Average Annual Growth Rates of Renewable Energy Capacity and Biofuels Production, 2005–2010

Figure 3. Renewable Energy Share of Global Electricity Production, 2010

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a   finales   de   2010.   También   se   observa   que   los   países   en   desarrollo,   la   Unión   Europea   y   China  fueron  quienes  más  contribuyeron  a  esta  capacidad.  Así  también  se  observa  que  a  finales  de  2010,  la  capacidad  de  energía   renovable  mundial   totalizó  en  312  GW.  Finalmente,   se  estima  que  en   la  Unión   Europea   en   2010   se   instaló   un   41%   de   nueva   capacidad   eléctrica,   basada   en   energías  renovables,  donde  la  energía  fotovoltaica  abarcó  más  de  la  mitad  del  total  (ver  figura  3)  [5].  

 Figura  3.  Capacidades  de energía renovable,  países  en desarrollo,  E.  U.  y  los  cinco principales países  en  2010  

(Información  tomada  de  REN21  (20011)  [2]).  

Sin  dudad   la   tecnología   fotovoltaica   interconectada   fue   la  que  mayor   crecimiento  presentó.  Pasó  de  2  GW  a  inicios  del  2002  a  un  estimado  de  40  GW  a  finales  de  2010  [2],  sin  embargo,  entre  2009  y  2010  se  observó  un  crecimiento  promedio  anual  del  72%  (ver  figura  2)  para  este  periodo  con   una   demanda   de   40   GW   duplicando   así́   la   capacidad   de   generación   con   respecto   a   años  anteriores.  En  general  se  observa  un  crecimiento  de  las  energías  renovables  mucho  mayor  que  el  de  las  energías  a  partir  de  combustibles  fósiles,   las  cuales  solamente  crecieron  entre  el  3  y  el  4%  para  el  mismo  periodo  de  tiempo.  

 

Energía  solar  y  ventajas  sobre  otro  tipo  de  energías  renovables.  

La  radiación  solar  incidente  sobre  la  Tierra  es  equivalente  a  más  de  800  000  millones  de  GWh  de  energía   en  un   año,   lo   que   representa   alrededor  de  35000   veces   el   consumo  mundial   en   ese  tiempo,   y   es   500   veces  mayor   que   el   equivalente   energético   suministrado   por   todas   las   demás  fuentes   de   energía.   La   energía   solar   que   recibe   cada   año   la   península   Arábica,   zona   geográfica  donde   radican   las  mayores   reservas   de   petróleo,   es   el   doble   del   equivalente   energético   de   las  reservas  mundiales  de  petróleo.  La  superficie  de   la  Tierra   recibe  en  30  minutos  una  cantidad  de  energía  solar  equivalente  al  consumo  energético  mundial  en  un  año.  

La  energía  solar  o  fotovoltaica,  comparada  con  el  resto  de  las  fuentes  renovables  de  energía,  tiene  entre  sus  ventajas  más  importantes  [6]:  

• Su  conversión  es  la  más  instantánea  de  todas.  

01

19

Wind Power

94

135135

56 50 49

16

312

2626

Figure 4. Renewable Power Capacities*, Developing World, EU, and Top Five Countries, 2010

REN

EWA

BLE

S 20

11 G

LOB

AL

STA

TUS

REP

OR

T

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• Es  modular  y  aditiva,  es  decir,  puede  generar  desde  valores  de  potencia  menores  que  el  Watt  hasta  decenas  de  MW.  

• No  tiene  partes  móviles  y  el  costo  de  mantenimiento  es  el  más  bajo  de  todos.  

• Es  una  tecnología  madura  y  aceptada  internacionalmente.  

• Es  una  tecnología  que  permite  generar  empleos  y  un  desarrollo  industrial  sustentable.  

• Es   altamente   confiable   al   ser   el   Sol   una   fuente   de   energía   limpia,   inagotable   y   de  acceso  libre.  

• Es  la  mejor  opción  en  fuentes  renovables  de  energía  para  introducir  en  un  ambiente  urbano.    

• Es  fácil  de  producir  e  instalar  a  escala  masiva.    

• Es  el  modo  más  accesible  de  proveer  de  energía  a  los  millones  de  personas  sin  electricidad  en  el  mundo.  

 

Energía  solar  en  el  estado  de  Chihuahua.  

Quizás   la   tecnología   solar  más   antigua   y  más   utilizada   en  México   sea   la   del   calentamiento  solar   de   agua   utilizando   calentadores   solares   planos,   fabricados   con   tubos   y   aletas   de   cobre   y  también   fabricados   con   plástico,   cuya   principal   aplicación   es   el   calentamiento   de   agua   para  albercas,  así́  como  el  calentamiento  de  agua  para  casas  habitación  (ver  figura  4).  Esta  aplicación  no  es  de  extrañarse,  dado  que  México  posee  uno  de  los  porcentajes  en  irradiación  solar  más  altos  del  mundo.    

 Figura  4.  Instalación  de  calentadores  solares  planos  en  una  unidad  habitacional  en  Ciudad  Juárez,  Chihuahua  

(Sunway,  S.A.).  

Por  ejemplo,   la  parte   central   de  México   recibe  un  promedio  anual  de  3.5   kWh   /  m2  día  de  irradiación,  mientras  que  en  los  estados  del  norte  de  México  se  alcanzan  valores  promedio  de  5.5  kWh  /  m2  día.  Esto  quiere  decir  que  en  un  techo  de  alrededor  de  20  m2  (superficie  común  en  una  casa  habitación)  se  recibe  en  promedio  una  cantidad  de  energía  diaria,  de  más  de  110  kWh  /  día,  

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equivalentes  a  la  energía  disipada  por  45  focos  de  100  W  cada  uno,  encendidos  durante  24  horas.  

El   estado   de   Chihuahua   está   ubicado   geográficamente   en   una   de   las   regiones   con   mejor  radiación  solar  en  el  mundo.  En  la  figura  5  se  puede  observar  que  de  acuerdo  a  estudios  realizados  por  la  compañía  3TIER  la  radiación  en  el  estado  de  Chihuahua  puede  generar  alrededor  de  5  a  7  kWh  /  m2  en  promedio  durante  el  día.  

 Figura   5.  Mapa   con   la   representación   de   la   radiación   solar   en   el   continente   americano   (pertenece   a   la  

compañía  3Tier  Inc.  http://www.3tier.com/en/).  

En   conclusión,   el   estado  de  Chihuahua   tiene  un   enorme  potencial   de   energía   solar   con   los  niveles  de  irradiación  más  altos  del  mundo,  al  grado  que  Chihuahua  podría  llegar  a  convertirse  en  una  de  las  reservas  más  grandes  del  planeta  de  la  industria  solar.  Es  necesario  crear  un  clúster  de  energías  renovables,  es  decir,  que  Chihuahua  autogenere  el  100  %  de  su  energía  de  consumo  para  el   año   2025.   Entre   los   objetivos   de   este   clúster   se   debe   considerar   la   integración   continua   de  empresas,   universidades,   cámaras   de   comercio,   gobierno   y   asociaciones   civiles.   Chihuahua   se  encuentra  en  una  zona  privilegiada  del  planeta,  tiene  casi  el  doble  de  radiación  solar  que  Alemania  y  sin  embargo,  Alemania  es  el  país  que  tiene  más  generación  de  energía  solar  per  cápita  _  como  se  muestra  en  la  figura  3_.  

 

Tecnología  de  las  celdas  fotovoltaicas.  

Fabricar   CS   con   alta   eficiencia   de   conversión   y   bajo   costo   de   producción   es   uno   de   los  propósitos   fundamentales  en  aras  de  disminuir  el  precio  del   kWh  de  energía  eléctrica.  Entre   los  problemas   actuales   para   el   desarrollo   de   energía   fotovoltaica   a   escala   tecnológica   se   pueden  

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mencionar:    

a) Por  tratarse  de  una  tecnología  relativamente  nueva  no  existe  la  suficiente  cultura  y  conocimientos  respecto  a  su  capacidad  y  utilización.    

b) El  costo  inicial  de  la  instalación  es  alto  si  se  compara  con  sus  similares.    

Durante  los  últimos  años,  la  generación  fotovoltaica  de  electricidad  se  ha  realizado  utilizando  módulos   solares   fabricados   usando   tres   tecnologías   diferentes.   La   primera   de   éstas   es   la  denominada  tecnología  de  silicio  mono-‐  y  poli-‐cristalino  _conocida  como  primera  generación_.  La  primera  generación  de  celdas  solares  (CS),  es  el  mercado  más  grande,  de  celdas  fotovoltaicas  (CF),  basadas  en  silicio  (SI)  que  han  y  siguen  dominando  el  mercado  de  paneles  solares  [7].  El  86  %  del  mercado  mundial   de  CS,   utiliza  obleas  de   silicio   en   la   fabricación.   Esta   generación  ha  dominado  debido  a  su  alta  eficiencia  de  conversión.  Lo  anterior,  a  pesar  de   los  altos  costos  de   fabricación;  problema  que  se  intenta  solucionar  con  la  segunda  generación  de  CS.    

La  segunda  generación  es   la  denominada   tecnología  de  películas  delgadas  que  ha  sido  muy  exitosa   mediante   la   fabricación   de   módulos   basados   en   tres   tipos   diferentes   de   materiales:  Cu(In,Ga)Se2  (CIGS),  CdTe  y  silicio  con  estructura  amorfa  (a-‐Si)  [8].  Las  CS  de  esta  generación  son  celdas  mucho  más  baratas  de  producir  que  las  celdas  de  la  primer  generación,  pero  presentan  una  menor  eficiencia.  La  gran  ventaja  de  las  CS  de  segunda  generación,  aunado  a  su  bajo  costo,  es  la  flexibilidad   de   los   materiales   utilizados.   Con   la   tecnología   de   película   delgada   se   han   logrado  innovaciones  con  CS  ligeras  y  estéticamente  agradables,  tales  como  tejas  solares  y  paneles  solares  que  se  pueden  adaptar  a  la  forma  de  un  techo  u  otra  superficie.  Se  ha  pronosticado  que  las  CS  de  la  segunda  generación  van  a  dominar  el  mercado  residencial,  conforme  se  investiguen  y  produzcan  celdas  con  nuevos  materiales  que  presenten  mayor  eficiencia  de  conversión.  

La   tercer   generación   de   CS   son   la   vanguardia   de   la   tecnología   solar.   Aún   en   la   fase   de  investigación,  las  celdas  de  tercera  generación  han  evolucionado  más  allá  de  las  celdas  basadas  en  SI.  Generalmente,   las   celdas  de   la   tercer  generación   incluyen  CS  que  no  necesitan  una  unión  pn  como  en  el   caso  de   las   celdas  basadas  en   semiconductores   tradicionales.   La   tercera  generación,  consiste  de  una  amplia  variedad  de  potenciales  innovaciones  solares,  incluyendo  CS  de  polímeros,  celdas  nanocristalinas,  celdas  cuánticas  y  celdas  sensibilizadas  [3].  

Por  otro   lado,  dentro  de   las  celdas  de   la   tercera  generación  se  encuentra  un  tipo  de  celdas  que  ha  recibido  mucha  atención  por  sus  características  orgánicas.  Las  CS  orgánicas  son  fabricadas  con  base  en  materiales  orgánicos  moleculares  o  poliméricos.  Su  principal  ventaja  es  que  poseen  un   alto   coeficiente   de   absorción   de   la   radiación   luminosa   lo   que   permite   el   empleo   de  menor  material  _películas  por  debajo  de  la  micra  son  típicas_  y  por  ende  su  reducción  de  costos.  

El   principio   físico   del   funcionamiento   de   estas   celdas   consiste   en   que   un   componente  orgánico   cede   electrones   cuando   absorbe   la   radiación   luminosa,   de   forma   análoga   a   un  semiconductor  donador,  en  tanto  otro  componente  los  acepta  convirtiéndose  en  un  aceptor.  Por  supuesto,  este  par  de  electrón-‐hueco  es  separado  por  un  campo  eléctrico  en  la  interfaz  donador-‐

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aceptor   y   recolectados   a   través   de   electrodos   que   se   encuentran   en   cada   una   de   las   capaz  orgánicas,  creándose  una  fotocorriente.  

Una   de   las   forma   de   empleo   de   la   celdas   orgánicas   es   en   forma   de   pinturas   adheridas   a  diferentes  superficies,  lográndose  dispositivos  fotovoltaicos  con  áreas  mayores  a  200  cm2.  Se  han  reportado  eficiencias  de  conversión  entre  1  y  6  %  para  este  tipo  de  celdas,   las  cuales  tienen  que  resolver  el  problema  de  la  estabilidad  en  el  tiempo  y  ser  compatibles  con  la  protección  del  medio  ambiente  [3].  

 

Técnica  de  rocío  pirolítico  en  el  depósito  de  películas  delgadas.  

En   el   depósito   de   materiales   y   películas   delgadas   se   han   empleado   muchas   y   variadas  técnicas,   entre   ellas   destacan:   Depósito   de   capas   atómicas,   ALD   (Atomic   Layer   Deposition)   [9],  Evaporación  mediante  haz  electrónico   [10],   Evaporación  mediante  un  haz  de  electrones  asistida  por  un  haz  de  iones  [11],  Depósito  químico  en  fase  vapor,  CVD  (Chemical    Vapor  Deposition)  [12],  etc.   Sin   embargo,   la   técnica   de   rocío   pirolítico   ha   demostrado   ser   un   proceso   eficiente   para   la  preparación   de   películas   delgadas   [13],   debido   a   que   es   una   técnica   sencilla   y   de   bajo   costo,  además  es  compatible  con  el  depósito  de  películas  semiconductoras  en  área  grande.  

El  rocío  pirolítico  es  un  proceso  por  el  cual  una  película  es  depositada  al  rociar  una  solución  sobre  un  sustrato  caliente.  Los  componentes  de  la  solución  impactan  la  superficie  de  la  muestra,  donde  reaccionan  para  formar  un  compuesto  químico  como  una  estructura  en  forma  de  disco.  La  forma   y   el   tamaño   del   disco   dependen   de   la   dinámica   y   el   volumen   de   las   gotas,   así   como   la  temperatura   del   sustrato.   En   consecuencia,   la   película   se   compone   generalmente   de   discos  superpuestos   que   se   convierten   en   óxidos   sobre   la   superficie   del   sustrato   caliente.   Los  componentes   químicos   son   seleccionados   de   tal   manera   que   los   demás   productos   que   no  correspondan  al  compuesto  deseado,  sean  volátiles  a  la  temperatura  de  depósito.  El  depósito  por  rocío  pirolítico  se  puede  clasificar  según  el  tipo  de  reacción  cuando  [14]:  

a) La  gota  reside  en  la  superficie  mientras  el  solvente  se  evapora,  dejando  tras  de  sí  un  sólido  que  además  puede  reaccionar  en  estado  seco.  

b) El   solvente   se   evapora   antes   de   que   la   gota   alcance   la   superficie   y   el   sólido   seco  incide  sobre  la  superficie.  

c)  El  solvente  se  evapora  mientras  la  gota  se  aproxima  al  sustrato,  el  sólido  se  derrite  y  se  evapora  y  el  vapor  se  difunde  hacia  el  sustrato.  

d)  Toda  la  reacción  se  lleva  a  cabo  en  el  estado  vapor.    

Un   esquema   general   de   un   sistema   de   rocío   pirolítico   se   presenta   en   la   figura   6.   En   esta  técnica   se   pueden   emplear   diferentes   soluciones   para   obtener   diferentes   tipos   de   películas.  Un  sistema   de   rocío   pirolítico   es   particularmente   útil   para   el   depósito   de   óxidos  metálicos,   óxidos  

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semiconductores,   calcogenuros   binarios   y   terciarios   y,   películas   delgadas   superconductoras   [14-‐15].    

 

Figura  6.  Sistema  general  de  rocío  pirolítico  o  rocío  pirolítico.  

En   particular,   esta   técnica   se   ha   convertido   en   un  método   importante   para   el   depósito   de  películas  conductoras  transparentes  tales  como  el  Óxido  de  Estaño  dopado  con  Flúor  o  Fluorinado  (FTO)   o   el   Óxido   de   Estaño   dopado   con   Indio   (ITO)   [15-‐16]   o   el   depósito   de   películas  semiconductoras  de  materiales  compuestos  [17-‐18].  Para  llevar  a  cabo  la  técnica  de  rocío  pirolítico  se  involucra  muchos  procesos  que  ocurren  en  forma  simultánea  o  secuencial.  El  depósito  uniforme  de  la  película  depende  de  los  pasos  del  proceso  posterior  a  rociar  la  solución  sobre  el  sustrato.  Las  películas  deben  permanecer  estables  durante  estas  etapas  del  proceso.  Una  desventaja  del  rocío  pirolítico  es   la  reproducibilidad,  de  hecho  para  obtener  una  película  con  una  buena  morfología  y  una  estructura  homogénea,  algunos  parámetros   importantes  deben  ser  controlados,  tales  como:  la  composición  de  la  solución  precursora,  la  generación  del  aerosol  y  el  transporte,  la  evaporación  del  solvente,  la  temperatura  de  la  superficie,  las  secuencias  del  rocío,  las  dimensiones  de  las  gotas,  así  como  el  ángulo  y  la  dirección  desde  la  que  se  lleva  a  cabo  el  proceso  de  rocío.  Sin  embargo,  una  vez  que  se  tienen  caracterizados  dichos  parámetros,  se  puede  obtener  un  proceso  reproducible  de  depósito  de  películas.  

Además  de  los  compuestos  en  película  delgada  más  ampliamente  estudiados  para  su  uso  en  CS  (CdS,  Cu2S,  CdTe  y  CuInSe2),  actualmente  se  realizan  investigaciones  sobre  nuevos  materiales  que  muestren,  a  partir  de  sus  propiedades  físicas,  potencial  de  aplicación  en  tales  dispositivos.    

La   optimización   de   varios   de   los   procesamientos   involucrados   en   el   desarrollo   de  heteroestructuras   fotovoltaicas   empleando   diferentes   materiales   semiconductores   permite  alcanzar   uniformidad   de   las   películas   en   un   área   mayor   que   100   cm2   [19-‐22].   Por   otra   parte,  debido  al  costo  y  escasez  de  muchos  de  los  elementos  empleados  para  obtener  dichos  materiales  semiconductores,   se   requiere   el   desarrollo   de   nuevos   sulfuros   ternarios   para   aplicaciones  

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fotovoltaicas   de   bajo   costo,   sencilla   obtención   y   procesos   capaces   de   aplicarse   para   obtener  superficies  grandes.  El  uso  de  un  sistema  de  rocío  pirolítico  se  ha  establecido  como  una  técnica  de  fácil   empleo   y   económica   para   el   depósito   y   desarrollo   de   materiales   semiconductores  compuestos  como  son  las  películas  ternarias  y  cuaternarias  (ver  figura  7).  

 

Figura  7.  Estructura  de  una  celda  fotovoltaica  utilizando  un  material  cuaternario  (CZTS)  depositado  con  una  técnica  de  rocío  pirolítico.  

Entre  los  compuestos  ternarios  y  cuaternarios  semiconductores,  los  compuestos  de  sulfuro  de  cobre   (Cu)  con  estaño   (Sn)  y   zinc   (Zn)   surgen  como  una   importante  y  menos  costosa  alternativa  para   una   eficiente   conversión   de   energía   en   el   futuro   [23-‐26].   La   motivación   principal   es  aprovechar  la  alta  movilidad  del  cobre  en  el  compuesto  de  sulfuro  de  cobre  (Cu2S)  al  combinarlo  con  el  sulfuro  de  estaño  (SnS)  e  incorporar  el  sulfuro  de  zinc  (ZnS)  o  selenuro  de  zinc  (ZnSe)  para  obtener  un  material  cuaternario  semiconductor  tipo-‐p,  Cu2ZnSnS4   (abreviado  CZTS)  y  Cu2ZnSnSe4  (abreviado  CZTSe)  durante  el  proceso  de  rocío  pirolítico  sobre  substratos  de  gran  área.  

 

IV. Hipótesis  La  hipótesis  de  este  proyecto  está  dirigida  a  la  obtención  de  nuevos  materiales  para  fabricar  

dispositivos   fotovoltaicos   de   gran   área   y   bajo   costo,  mediante   la   técnica   de   rocío   pirolítico.   Los  materiales  propuestos  CZTS    y  CZTSe  deberán  proveer   la  suficiente  eficiencia  de  conversión  para  ser   integrados  en   las  CF  sin  pasos  adicionales  en  el  proceso  estándar  que  hagan  más  complejo  y  costoso   el   proceso   de   fabricación.   Para   la   obtención   de   los   materiales   surgen   las   siguientes  preguntas:   ¿Los   nuevos   materiales,   CZTS   y   CZTSe,   obtenidos   a   través   de   la   técnica   de   rocío  pirolítico  tendrán  una  mejora  importante  en  la  eficiencia  de  conversión  de  energía  con  respecto  a  los  materiales  convencionales?  ¿Se  reducirá  de  manera  importante  el  costo  de  fabricación  de  las  CF?  En  este  contexto  también  se  deberá  investigar,  si  los  nuevos  materiales  son  menos  tóxicos  y  si  proveen  la  conversión  de  energía  necesaria  para  obtener  CF  con  una  buena  eficiencia.  

 

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V. Objetivos  

Objetivo  General  

Desarrollo  de  celdas  fotovoltaicas  de  gran  área  con  nuevos  materiales,  utilizando  un  sistema  de  rocío  pirolítico  para  el  depósito  de  películas  cuaternarias  como  CZTS  y  CZTSe,  conocidas  como  kesteritas  y  emplearlas  como  región  tipo-‐p  en  los  contactos  posteriores  de  las  celdas.  

 

Objetivos  Específicos  • Diseñar  e   implementar  un  sistema  de  rocío  pirolítico  de  varias  boquillas  para  el  depósito  

de  materiales   cuaternarios  de  película  delgada  para  utilizarse   en  celdas   fotovoltaicas  de  gran  área.  

• Desarrollar  el  sistema  de  automatización  para  el  sistema  de  rocío  pirolítico.  

• Depositar   películas   de   (CZTS,   CZTSe)   depositadas   sobre   vidrio   por   rocío   pirolítico   y   el  apilamiento  de  películas  metálicas  precursoras  por  sputtering.    

• Caracterización  de   las  películas  de   (CZTS,  CZTSe)  mediante  mediciones  de   transmitancia,  reflectancia,  difracción  de  rayos  X  (XRD),  análisis  de  la  morfología  superficial  (AFM,  SEM),  composición  química  (EDS,  Raman),  resistividad  y  fotorespuesta.    

• Diseño  y   caracterización  de  dispositivos   fotovoltaicos  empleando  barrera  Schottky  y  una  unión  CdS/(CZTS,  CZTSe).  Los  dispositivos  serán  analizados  mediante  mediciones  de  I-‐V,  C-‐V,  fotorespuesta,  medición  de  eficiencia  y  análisis  de  la  interface  por  SEM.    

• Obtener   las  propiedades  morfológicas   y   estructurales  de   los  materiales  para   seleccionar  los  que  presenten  mejores  como  elemento  fotovoltaico.  

• Estudiar  mediante  simulaciones  en  2D  y  3D  (Silvaco,  Synopsys)   los  factores  que  permitan  predecir  el  desempeño  de   los  dispositivos  en  base  a   los  parámetros  más   importantes  de  los  materiales.    

• Desarrollar  el  proceso  de  fabricación  de  los  dispositivos  basándose  en  las  reglas  de  diseño  de  la  tecnología  de  silicio.    

 

VI. Metas  

§ Generar   conocimiento   en   el   área   de   los   dispositivos   fotovoltaicos   y   en   el   campo   de   la  ingeniería  de  materiales  mediante  el  desarrollo  de  CF  de  gran  área.    

§ Caracterización  y  automatización  del  un  sistema  de  rocío  pirolítico  empleando  diferentes  boquillas  con  la  finalidad  de  depositar  películas  delgadas  de  CZTS  y  CZTSe.  

§ Estudiar  y  caracterizar  sistemáticamente  las  propiedades  fotoeléctricas  y  estructurales  de  las  películas  obtenidas.    

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§ Determinar  mediante  la  simulación  en  2D  y  ·∙3D  el  comportamiento  que  pueda  predecir  el  funcionamiento  de  las  CF,  analizando  las  variables  físicas  y  de  diseño.    

§ Realizar  el  diseño  y  la  fabricación  de  las  CF  de  gran  área.    

§ Publicar   artículos   científicos   en   revistas   de   circulación   nacional   e   internacional   y    participación  en  congresos  donde  se  den  a  conocer  los  resultados  de  la  investigación.    

 

VII. Metodología  Para  concluir  de  manera  exitosa  este  proyecto  se  requiere  la  ejecución  de  una  serie  de  actividades  tanto  de  diseño,  análisis  y  experimentales   las  cuales  forman  parte  de  cada  una  de   las  etapas  del  proyecto.  

A.  Diseño  del  sistema  de  depósito  • Estudiar   y   analizar   el   estado   del   arte   de   los   sistemas   de   rocío   pirolítico   con   varias  

boquillas  que  son  utilizados  para  el  depósito  de  materiales    de  película  delgada.    

• Diseño  e  implementación  del  sistema  de  rocío  pirolítico  con  tres  o  cuatro  boquillas.  

• Investigar  y  caracterizar  un  sistema  de  rocío  pirolítico  implementado  con  varias  boquillas  con  la  finalidad  de  obtener  películas  delgadas  y  uniformes.  

• Automatización   del   sistema   de   rocío   pirolítico   con   motores   a   pasos,   una   tarjeta   de  adquisición   de   datos   de   National   Instruments   y   una   computadora,   con   la   finalidad   de  optimizar  los  depósitos  uniformes  de  películas  de  CZTS  y  CZTSe  sobre  substratos  de  gran  área.  

 

B.  Elaboración  del  análisis:  • Estudiar  y  analizar  el  estado  del  arte  de   los  materiales  cuaternarios  de  película  delgada  

que  son  utilizados  en  CF  de  gran  área,  comparar  las  figuras  de  mérito  y  parámetros,  para  posteriormente   determinar   la   posibilidad   de   crear   dispositivos   fotovoltaicos   más  eficientes.  

• Investigar   las   arquitecturas   y   diseños   de   las   CF   con   materiales   cuaternarios   con   el  propósito  de  definir  ventajas  y  desventajas  y  los  posibles  problemas  de  solucionar.    

• Diseño   de   los   prototipos   geométricos   (layout)   de   las   celdas   para   determinar   su  estructura.  

• Simular   las   condiciones   ópticas   y   eléctricas   de   las   celdas   para   predecir   su   desempeño  ante  las  diferentes  variables  físicas  con  herramientas  de  software  _luminous  y  Pisces  de  Silvaco_   para   dispositivos   fotovoltaicos;   con   el   fin   de   determinar   una   relación   de   los  aspectos  físicos  y  fotoeléctricos  que  definan  su  desempeño.  

 

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C.  Proceso  de  caracterización:  Se  realizará  un  estudio  sistemático  de  los  materiales  de  películas  delgadas  CZTS  y  CZTSe.  Esto  

nos   permitirá   depositar   estos  materiales  mediante   la   técnica   de   rocío   pirolítico   en   dos   tipos   de  sustratos  vidrio  y  silicio.  Los  datos  disponibles  en  la   literatura,   la  experiencia  de   los  participantes  del  proyecto,  y  experimentos  previos  del  depósito  de  estos  materiales  en  la  UACJ  se  usaran  como  fuente   de   información   para   determinar   la   influencia   de   las   condiciones   del   depósito   sobre   las  propiedades  de  las  películas  obtenidas.  

Las  propiedades  estructurales  de  las  películas  se  caracterizaran  por  medio  de  las  técnicas:  

• SEM,   TEM   y   EDS   para   evaluar   la   composición,   la   interacción   con   los   elementos,   la  morfología  y  porosidad.  

• XRD  para  determinar  las  propiedades  estructurales  y  el  tipo  de  orientación  preferencial.  

 

Caracterización  de  las  propiedades  fotoeléctricas:  • El   desempeño   de   las   CS   depende   de   la   respuesta   al   espectro   de   radiación   solar   de   las  

diferentes   capas   que   la   conforman;   por   consiguiente   es   necesario   investigar   si  efectivamente   estas   tienen   propiedades   ópticas   adecuadas   para   cumplir   con   su   función  específica   dentro   del   dispositivo.   Por   ejemplo,   la   capa   absorbente   debe   tener   un   alto  coeficiente   de   absorción,   mientras   que   las   capas   que   conforman   la   ventana   óptica   del  dispositivo   deben   ser   altamente   transparentes   a   la   radiación   solar,   para   lo   cual   es  deseable  que  estas  tengan  una  brecha  de  energía  prohibida  grande.  

• Las   propiedades   ópticas   de   un   material   semiconductor   se   determinarán   a   través   del  conocimiento  de   sus  constantes  ópticas   (índice  de   refracción,   coeficiente  de  absorción  y  brecha  de   energía   prohibida  o   Eg),   las   cuales   pueden   ser   obtenidas   a   partir   de  medidas  experimentales   de   la   transmitancia   espectral,   elipsometría   espectroscópica   y   cálculos  teóricos,   usando   modelos   que   tienen   en   cuenta   los   fenómenos   de   interferencia  observados  en  los  espectros  de  transmitancia.  

• Validación  y  verificación  de  los  resultados  experimentales  con  los  análisis  teóricos.    

• Comparación  y  discusión  de  los  resultados  con  otros  trabajos  de  referencia.    

 

VIII. Grupo  de  trabajo  Con   el   apoyo   de   este   proyecto   también   se   pretende   fortalecer   el   desarrollo   de   procesos   de  fabricación  de  dispositivos  fotovoltaicos  en  México  y  beneficiara  el  fortalecimiento  de  redes  inter-‐institucionales  UACJ,  BUAP,  CIE   y  UdeG  a   través  de  una   investigación  multidisciplinaria.  Además  que  se  propicia  la  vinculación  con  otros  cuerpos  académicos,  entre  los  que  están  el  de  ciencia  de  materiales  de  la  UACJ.  

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Instituciones  participantes  1. Universidad  Autónoma  de  Ciudad  Juárez  (UACJ).  

2. Instituto  Nacional  de  Astrofísica,  Óptica  y  Electrónica  (INAOE).  

3. Benemérita  Universidad  Autónoma  de  Puebla  (BUAP).  

4. Centro  de  Investigación  en  Energía  (CIE).  

5. Universidad  de  Guadalajara  (UdeG).  

 

Integrantes  1. Dr.  Abimael  Jiménez  Pérez  -‐  UACJ  

Experto   en   el   modelado   y   simulación   de   dispositivos   semiconductores.   Colaboración:  análisis   de   la   física   de   los   dispositivos   fotovoltaicos   a   través   de   simulaciones   en   2D  utilizando  las  diferentes  herramientas  de  software  con  las  que  se  cuenta  en  el  CICTA.  

2. Dr.  Karim  Monfil  Leyva  -‐  BUAP  

Experto   en   síntesis   de   materiales   y   procesos   de   fabricación   de   dispositivos  semiconductores.  Colaboración:  depósito  de  películas  delgadas  de  materiales  a  través  de  la  técnica  de  rocío  pirolítico.  

3. Dr.  Roberto  Carlos  Ambrosio  Lázaro  -‐  UACJ  

Experto   en   procesos   de   fabricación   y   caracterización   de   dispositivos   semiconductores.  Colaboración:  desarrollo  del  proceso  de  fabricación  y  las  técnicas  de  caracterización  de  los  dispositivos.  

4. Dr.  Mario  Moreno  Moreno  –  INAOE  

Experto   en   procesos   de   obtención   de   materiales   semiconductores   para   celdas  fotovoltaicas,  depósito  y  caracterización.  Colaboración:  Simulador  para  celdas   solares,   se  encargara  de  extraer  parámetros  de  eficiencia  cuántica.  

5. Dr.  Sebastian  Pathiyamatttom  Joseph  -‐  CIE-‐UNAM  

Experto  en  el  diseño,   fabricación  y  caracterización  de  celdas  solares  de  película  delgada,  así   como   también,   de   celdas   de   hidrógeno.   Tiene   20   años   de   experiencia   en   el   área   de  energías   renovables.   Colaboración:   depósito   y   caracterización   de   películas   delgadas   de  materiales  a  través  de  la  técnica  de  rocío  pirolítico.  

6. Dra.  Amanda  Carrillo  Castillo  –  UACJ.    

Experta  en  el  desarrollo  y  estudio  de  películas  y  nanopartículas  semiconductoras  a  base  de  calcogenuros   preparadas   por   vía   húmeda   para   electrónica   flexible.   Así   como   síntesis   y  caracterización  de  materiales  híbridos  preparados  por  el  proceso  sol  gel  para  su  aplicación  

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en  electrónica  flexible.  Colaboración:  proceso  de  síntesis  de  los  materiales  CZTS  y  CZTSe  y  la  caracterización  de  películas  delgadas  de  materiales.  

7. Dr.  Ángel  Sauceda  Carvajal  –  UACJ  

Experto  en  caracterización  de  dispositivos  ópticos.  Colaboración:  desarrollo  de  técnicas  de  caracterización  óptica  de  los  materiales  para  celdas  fotovoltaicas.  

8. Dr.  José  Mireles  Jr.  García  –  UACJ  

Experto   en   procesos   de   fabricación   y   caracterización   de  MEMS.   Colaboración:   diseño   y  fabricación  de  las  celdas  fotovoltaicas.  

9. Dr.  Carlos  Alberto  Martínez  -‐  UACJ  

Colaboración:  Experto  en  ciencias  de   los  materiales.  Colaboración:  Depósito  y  obtención  de  los  materiales  CZTS    y  CZTSe.  

10. Dr.  José  Antonio  Muñoz  Gómez  -‐  UdeG  

Experto   en   cómputo   de   alto   desempeño   y   ciencias   computacionales.   Colaboración:  determinación   de   las   condiciones   de   frontera,   los   métodos   numéricos   de   solución  más  óptimos  y  las  mejores  técnicas  de  mallado  para  cada  uno  de  los  dispositivos  simulados  en  las  herramientas  de  Silvaco.  

 

IX. Infraestructura  disponible  En  el   laboratorio  del  Centro  de   Investigación  en  Ciencia  y  Tecnología  Aplicada   (CICTA)  de   la  

UACJ  se  cuenta  con  equipos  especiales  para  la    caracterización  de  dispositivos  semiconductores.  

• Estación   Microposicionador.   -‐   Para   implementar   los   ensambles   y   pruebas  eléctricas  de  los  dispositivos  fotovoltaicos.  

• Estación  de  Pruebas  con  un  analizador  de  parámetros  de  semiconductores   (SPA)  B1500A-‐Agilent.-‐  Para  la  caracterización  eléctrica  de  las  celdas  fotovoltaicas.  

• Sistema  de  rocío  pirolítico  para  el  depósito  de   los  materiales  con  varias  boquillas  electrónicas.  

• Cortadora  de  obleas.-‐  Para  la  separación  de  dispositivos  construidos  en  las  obleas  de  silicio.  

• Horno  de  difusión.  

• Sistema  de  depósito  de  metales,  sputtering.  

• Sistema  DRIE  -‐  grabado  profundo  de  iones  reactivos  (OXFORD  PlasmaProTM  

• System100).  

• Equipo  para  medir  los  tiempos  de  vida  en  semiconductores  de  película  delgada  

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• (WCT-‐120:  The  Standard  R&D  Wafer-‐Lifetime  Tool).  

• Cuarto  limpio  con  área  de  cuarto  amarillo.  

• Generador  de  patrones  láser  (LaserWriter  MICROTECH).  

• Equipo  de   laboratorio  de  propósito  general.-‐   Este  equipo   se  encuentra   instalado  en  los  laboratorios  de  la  universidad:  Osciloscopios,  Generadores  de  Señales,  etc.  

 

Infraestructura  disponible  en  el  laboratorio  de  materiales  de  la  UACJ.  • Espectrofotómetro   UV-‐V,   XRD-‐Equipo   de   Rayos-‐X   “Siemens”   acoplado   con  

goniómetro  para  trabajar  en  modo  reflectividad.  

• Equipo  de  depósito  de  películas  delgadas  “Magnetron  sputtering”.  

• Espectrofotómetro  FT-‐IR,  Nicolet  Magna  500.  

• Microscopio  de  barrido  electrónico  (SEM)  JEOL  JSM  7000F  equipado  con  detector  de   electrones   secundarios   retrodispersados,   transmitidos   y   de   rayos   X   (EDS-‐  EBDS).  

 

Infraestructura  disponible  en  el  INAOE.  • Cuarto   limpio   (Laboratorio   Nacional   de   Nanoeletrónica),   con   procesos   de  

fabricación  de  circuitos  integrados  de  silicio.  

• Equipo  de  caracterización  eléctrica.  

 

Infraestructura  disponible  en  la  BUAP.  • Microscopio  de  barrido  electrónico.  

• Equipo   de   difracción   de   rayos   x,   espectrofotómetro   para   medición   de  transmitancia  y  reflectancia  en  el  rango  del  UV  al  visible.  

• Estación  de  medición  de  curvas  I-‐V.  

 

Infraestructura  disponible  en  el  CIE.  • Simulador  solar.  

• Equipo  para  depósito  por  sputtering  

• Espectrofotómetro  de  UV-‐Vis,  AFM  y  SEM-‐EDS.  

 

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Infraestructura  disponible  en  la  UdeG.  • Estaciones  de   trabajo  de  8  y  12  núcleos.-‐  Para   realizar  parte  de   las   simulaciones  

eléctricas,  ópticas  de  los  dispositivos.  

 

X. Resultados  esperados  El   desarrollo   de   una   comprensión   básica   de   los   problemas   definidos   en   las   secciones  

anteriores  facilitaría  la  transferencia  de  tecnología  a  gran  escala  de  producción.  Cabe  señalar  que  se  obtendrá  sólo  un  prototipo  del  sistema  y  que  el  beneficiario,  el  grupo  MISCELEC  Juárez  S.  A.  de  C.  V.,  en  base  a   los   resultados  obtenidos,   realizará  un  estudio  de   factibilidad  para  desarrollar  un  sistema  a  nivel   industrial  para  la  fabricación  de  celdas  solares  de  gran  área.  Lo  anterior  sin  duda,  permitirá  un  crecimiento  revolucionario  de  la  industria  fotovoltaica.  

Como  resultado  de  la  propuesta,  se  pretende  obtener  dispositivos  fotovoltaicos  de  gran  área  mediante   la   técnica   de   rocío   pirolítico.   Los   dispositivos   tendrán   una   estructura   tipo   Aluminio   /  Óxido  de  Indio,  dopado  con  Flúor  /  Sulfuro  de  Cadmio  /  CZTS  /  Óxido  de  Indio  /  Vidrio.  Las  ventajas  esperadas   son:   dispositivos   de   bajo   costo,   durabilidad,   mayor   absorción   e   incremento   en   la  conversión  de  la  energía.  

Entre   los   resultados   esperados   más   importantes,   se   puede   mencionar   la   generación   de  recursos   humanos   altamente   capacitados,   a   través,   de   la   incorporación   de   estudiantes   de  licenciatura   y   posgrado   al   proyecto   de   investigación.   Los   estudiantes   realizaran   prácticas,  desarrollo  de   tesis   de   licenciatura   y  maestría   durante   los   dos   años  del   proyecto.   Finalmente,   se  promoverá   la   investigación   de   fuentes   de   energía   renovable,   y   se   establecerá   un   prototipo   de  proceso   en   línea   para   la   fabricación   de   celdas   y   paneles   solares   eficientes   basados   en  nanotecnología  de  película  delgada  empleando  elementos  abundantes  en  la  corteza  terrestre.    

 

XI. Entregables  El   trabajo   de   investigación   propuesto   tiene   como   finalidad   la   fabricación   de   dispositivos  

fotovoltaicos   con   nuevos   materiales   fotovoltaicos.   Se   realizaran   diseños,   simulaciones   2D   y  caracterizaciones  de  los  materiales  y  dispositivos  fabricados.  Con  la  investigación  realizada  en  este  proyecto,  la  cual  fue  proyectada  a  dos  años,  se  pretende  obtener:  

a) La   fabricación   de   dispositivos   fotovoltaicos   de   bajo   costo   basados   en   películas   de  CZTS  y  CZTSe  que  sean  reproducibles  a  nivel  industrial.  

b) Fabricación   de   dispositivos   fotovoltaicos   de   gran   área   y   bajo   costo   que   sean  reproducibles  a  nivel  industrial.  

c) 3  Artículos   en   revistas   científicas   de   circulación   internacional   de   riguroso   arbitraje:  Journal  of  Material  Research,  Thin  Solid  Films,  Journal  of  Non  Crystalline  Solids.  

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d) 4   Presentaciones   en   congresos   científicos   de   reconocido   prestigio   y   del   área   de  estudio:   Material   Research   fall   and   Spring   Meeting,   IEEE   Photovoltaic   Specialist  Conference,  International  Semiconductor  Device  Research  Symposium,  entre  otros.  

e) Formación  de  2  maestros  en  ciencias  _uno  del  programa  de  maestría  en  materiales  y  otro  del  programa  de  maestría  en  ingeniería  eléctrica_.  

f) Formación  de  4   ingenieros  del  departamento  de   ingeniería  eléctrica  y  computación  de  la  UACJ.  

g) Proceso  de  fabricación  documentado  y  transferido  el  conocimiento  a  las  instituciones  participantes.    

 

XII. Presupuesto  Gasto  Corriente:                                                                    Semestre  Rubro  

Ene-‐Jun  2013  (Etapa  1)  

Jul  Dic  2013  (Etapa  2)  

Ene-‐Jun  2014  (Etapa  3)  

Jul  Dic  2014  (Etapa  4)  

Total  

Acervos  bibliográficos   7,000     7,000     14,000  Apoyo  a  Formación  de  Recursos  Humanos  

25,000   25,000   25,000   25,000   100,000  

Artículos  Materiales  y  Consumibles  

20,000   20,000   20,000   10,000   70,000  

Cuotas  de  Inscripción   10,000     10,000     20,000  Estancias  Colaboradores  del  Proyecto  

  40,000   40,000     80,000  

Pasajes   20,000     20,000     40,000  Viáticos     35,000     35,000   70,000  Licencia  de  las  herramientas  TCAD  de  SILVACO  

    60,000     60,000  

Total  Gasto  Corriente           454,000    Gasto  de  Inversión                                              Semestre  Rubro  

Ene-‐Jun  2013  (Etapa  1)  

Jul  Dic  2013  (Etapa  2)  

Ene-‐Jun  2014  (Etapa  3)  

Jul  Dic  2014  (Etapa  4)  

Total  

Estación  de  trabajo  Dell  y  Equipo  de  computo.  

50,000       30,000   80,000  

Microscopio  óptico       40,000     40,000  Tarjeta  de  adquisición  National  Instruments  

  40,000       40,000  

Boquillas  de  aspersión   62,000         62,000  Motores  a  pasos       3,000     3,000  Total  Gasto  de  Inversión  

        225,000    

TOTAL  GC+GI           679,000  

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XIII. Programa  de  actividades  anual  

Primer  Año  (2013)  

1. Investigación  y  estudio  del  estado  del  arte  de  los  materiales  CZTS    y  CZTSe,  y  de  las  CF.    

2. Adquisición   del   equipo   para   la   implementación   del   sistema   de   rocío   pirolítico   y   la  automatización  del  sistema.  

3. Diseño  e  implementación  del  sistema  de  rocío  pirolítico  con  tres  o  cuatro  boquillas.  

4. Preparación  y  depósito  de  películas  CZTS.  Se   iniciara  a   co-‐dirigir  a  un  alumno  en  conjunto  con  el  postgrado  de  la  UACJ.  

5. Caracterización   estructural,   morfológica   y   fotoeléctrica   de   las   películas   CZTS   para  seleccionar  la  que  presenten  mejor  eficiencia  de  conversión.  

6. Elaboración  de  un  artículo  con  los  resultados  de  caracterización  del  material  CZTS  obtenidos  en  la  etapa.  

7. Simulación  de  las  CF  usando  el  software  Atlas  de  Silvaco.  

8. Examen  de  grado  de  dos  estudiantes  de  licenciatura.  

 

Segundo  Año  (2014)  

1. Adquisición  de  un  microscopio  óptico  para  el   análisis  de   las  películas  depositadas   con  el  sistema  de  rocío  pirolítico.  

2. Caracterización  y  automatización  del  sistema  de  rocío  pirolítico.  

3. Preparación  y  depósito  de  películas  CZTSe.  Se  iniciara  a  co-‐dirigir  a  un  alumno  en  conjunto  con  el  postgrado  de  la  UACJ.  

4. Caracterización   estructural,   morfológica   y   fotoeléctrica   de   las   películas   CZTSe   para  seleccionar  la  que  presenten  mejor  eficiencia  de  conversión.  

5. Elaboración   de   un   artículo   con   los   resultados   de   caracterización   del   material   CZTSe  obtenidos  en  la  etapa.  

6. Desarrollo  del  diagrama  de  flujo  de  proceso  y  la  fabricación  de  las  CF  de  gran  área.  

7. Elaboración  de  artículo  con  los  resultados  del  diseño  del  sistema  de  rocío  pirolítico.  

8. Examen  de  grado  de  dos  estudiantes  de  licenciatura  y  dos  de  maestría.  

   

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Referencias  [1]  www.sener.gob.mx/res/PE_y_DT/fe/e_renovables_mexico.pdf.  [2]   REN21   Steering   Committee.   Renewable   2011,   Global   Status   Report,   Worldwatch   Institute,  

Washington,  DC,  (2011).  [3]   Fotovoltaicos:   Fundamentos   y   Aplicaciones,   Osvaldo   Vigil   Galan,   Luis   Hernández   García   y  

Guillermo  Santana  Rodríguez,  Ed.  Instituto  Politécnico  Nacional,  2011.  ISBN:  978-‐607-‐414-‐210-‐5.  

[4]  HatfieldC.,  “Oil  back  on  the  global  agenda.  Permanent  decline  in  global  oil  is  virtually  certain  to  begin  within  20  years”,  Nature,  Vol.  387,  121,  (1997).  

[5]  Photovoltaic  Market  in  Europe  to  Account  for  70  Percent  of  World  Total  in  2011,  isuppli.com,  14  March  2011.  

[6]  EPIA  &  Greenpeace.  Solar  Generation  V-‐2008.  Electricidad  solar  para  más  de  mil  millones  de  personas  y  dos  millones  de  puestos  de  trabajo  para  el  año  2020,  (2008).    

[7]  A.  Goetzberger  et  al,  Materials  Science  and  Engineering  R  40,    1–46,  (2003).  [8]  Dulce  Guadalupe  Murias  Figueroa,  “Texturizado  de  sustratos  de  silicio  cristalino  para  aplicación  

en   celdas   solares”,   Tesis   de   maestría,   Instituto   Nacional   de   Astrofísica   Óptica   y   Electrónica  (INAOE),  Tonantzintla,  Puebla,  México,  2011.  

[9]  Robert  Chow,  Steve  Falabella,  Gary  E.  Loomis,  Frank  Rainer,  Christopher  J.  Stolz,  and  Mark  R.  Kozlowski   “Reactive   evaporation   of   low-‐defect   density   hafnia”,   Applied  Optics,   Vol.   32,   Issue  28,  pp.  5567-‐5574  (1993).  

[10]  Patrick  S.   Lysaght,  Brendan  Foran,  Gennadi  Bersuker,  Peijun   J.  Chen,  Robert  W.  Murto,  and  Howard   R.   Huff,   “Physicochemical   properties   of   HfO2   in   response   to   rapid   thermal   anneal”  Appl.  Phys.  Lett.  82,  1266  (2003).  

[11]   J.P.  Lehan∗,  Y.  Mao†,  B.G.  Bovard,  H.A.  Macleod,  “Optical  and  microstructural  properties  of  hafnium  dioxide  thin  films”,  Thin  Solid  Films,  Vol.  203,  No.  2,  Pag.  227-‐250,  (1991).  

[12]  P.  Baumeister  and  O.  Arnon,  “Use  of  hafnium  dioxide  in  multilayer  dielectric  reflectors  for  the  near  uv”,  Applied  Optics,  Vol.  16,  Issue  2,  pp.  439-‐444  (1977).  

[13]   M.   Langlet   and   J.   C.   Joubert,   in   Chemistry   of   Advanced   Materials   (edited   by   C.N.R.   Rao  Blackwell  Science,  Oxford,  England,  1993).  p.55  

[14]   1.   P.   S.   Patil.   Versatility   of   spray   pyrolysis   technique.   Mat.   Chem.   and   Phys.   59,   185-‐198,  (1999).  

[15]   Karim   Monfil   Leyva.   Study   of   luminescence   on   multiple   structures   with   the   possibility   to  obtain  electroluminescence.  Tesis  de  Doctorado,  INAOE  (2009).  

[16]  T.L.  Chu.  Thin  film  II-‐VI  photovoltaic.  Sol.  St.  Electr.  38,  533-‐549,  (1995).  [17]  K.  Monfil  L.  X.  Mathew,  J.  Santos,  R.  Ambrosio,  A.  Jiménez  and  C.  Martínez,  “Development  of  

copper   thin   sulfide   films   by   co-‐evaporation   technique   for   photovoltaic   applications”,   24th  International  Conference  on  Amorphous  and  Nanocrystalline   Semiconductors,  August  21-‐  26,  2011,  Nara,  Japan.  

[18]  K.  Monfil-‐L.,  X.  Mathew,  J.  Santos,  R.  Ambrosio,  C.  Martínez  and  A.  Jiménez,  “Deposition  and  optical   characterization   of   CuXSnSY   thin   films   by   co-‐evaporation   technique”,   E-‐MRS   Spring  Meeting  2011,  May  11,  Nice,  France.  

[19]  G.P.  Hernández,  A.S.  Juarez,  M.C.  Resendiz,  X.  Mathew.  Solar  Energy  Mater.  &  Solar  Cells,  90,  2289-‐2296,  (2006).    

[20]   Joel   Pantoja   Enríquez   and   Xavier  Mathew.   J.  Mater.   Sci.  Mater.   in   Electronics   16,   617-‐621,  (2005).    

[21]  J.P.  Enriquez,  X.  Mathew.  Solar  Energy  Materials  &  Solar  Cells  81,    363-‐369,  (2004).    [22]   X.  Mathew,   N.R.  Mathews,   P.J.   Sebastian,   C.O.   Flores.   Solar   Energy  Materials   &   Solar   Cells  

81/3,    397-‐405,  (2004).    

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[23]  M.   Bouaziz,  M.   Amlouk   and   S.   Belgacem.   Structure   and   optical   properties   of   Cu2SnS3.   Thin  Solid  Films  517,    2527-‐2530,  (2009).  

[24]  S.   Fiechter,  M.  Martinez,  G.   Schmidt,  W.  Henrion  and  Y.  Tomm.  Phase   relations  and  optical  properties   of   semiconducting   ternary   sulfides   in   the   system   Cu–Sn–S.   J.   Phys.   Chem.   Sol.   64,    1859–1862,  (2003).  

[25]  P.A.  Fernandes,  P.M.P.  Salomé,  and  A.F.  da  Cunha.  CuXSnSX+1   (X  =  2,  3)   thin   films  grown  by  sulfurization  of  metallic  precursors  deposited  by  dc  magnetron  sputtering.  Phys.  Stat.  Sol.  C  7  (3–4),  901–  904,  (2010).  

[26]  N.   Kamoun,  H.  Bouzouita,  B.   Rezig.  Fabrication  and   characterization  of   Cu2ZnSnS4   thin   films  deposited  by  spray  pyrolysis  technique.  Thin  Solid  Films  515,    5949–5952,  (2007).