Publication: Síntesis caracterización y contribución al estudio termodinámico de materiales semiconductores con aplicaciones en la fabricación de dispositivos fotovoltáicos.
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Date
2008-07
Authors
Gordillo Guzmán, Gerardo
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Abstract
Con esta propuesta se aspira a dar inicio a un programa de investigación encaminado a estudiar la influencia que ejercen el tipo de fase y la estructura cristalina sobre las propiedades fotovoltaicas de algunos de los materiales semiconductores sintetizados en el laboratorio de celdas solares del Grupo de Materiales Semiconductores y Energía Solar (GMSES). El nuevo programa de investigación hará énfasis en la implementación de una metodología para el cálculo de diagramas de fases y de propiedades termodinámicas de materiales a partir de información sobre su estructura atómica y transiciones de fase, obtenida de medidas experimentales y de datos termoquímicos, los cuales serán estimados mediante los denominados cálculos de primeros principios.
Si bien la metodología que se planea implementar permite calcular el diagrama de fases de cualquier sistema, dentro de este proyecto solamente estudiaremos dos de los nuevos materiales con aplicaciones fotovoltaicas sobre los que está haciendo investigación el GMSES: sulfuro de estaño (SnS) y calcopiritas de gap de energía Eg, grande (CuIn1-XGaXSe2).
Se puede esperar que durante la síntesis de este tipo de compuestos se obtenga una gran variedad de fases que dependiendo de las condiciones de procesamiento, de sus transformaciones, de los estados de equilibrio o de no equilibrio alcanzados, determinaran las propiedades fotovoltáicas del material. Así, es necesario optimizar el proceso de obtención de estos materiales haciendo un estudio cuidadoso de las variables de su proceso de crecimiento y evolución de fases, utilizando una serie de herramientas tanto teóricas como experimentales dentro de las que se encuentran el cálculo de diagramas de fases y la caracterización estructural de las mismas.
La propuesta que se presenta tiene como meta el cálculo de diagramas de fases de materiales semiconductores, altamente promisorios para la fabricación de celdas solares de bajo costo, con el propósito de lograr un mejor entendimiento de los procesos químicos que llevan a la obtención de los materiales con propiedades fotovoltaicas óptimas. Para alcanzar este objetivo se implementará una metodología que incluye actividades complementarias tanto en el campo teórico como en el experimental, llevadas a cabo en colaboración por un equipo interdisciplinario en el que participan personas de tres grupos de investigación de la Universidad Nacional de Colombia. La mencionada metodología se puede resumir de la siguiente forma:
Cálculo de diagramas de fases mediante el método CALPHAD, utilizando las herramientas computacionales del paquete TCCQ de ThermoCalc. Para realizar este proceso es necesario conocer algunas propiedades tanto estructurales (parámetros de red) como termodinámicas (volúmenes molares, coeficientes de expansión, entalpías de formación y de transición de fase, capacidades caloríficas, etc.), las cuales, en muy pocos casos, pueden ser obtenidas de la literatura y por lo tanto es necesario determinarlas experimentalmente o estimarlas mediante algún proceso computacional.
Los parámetros cristalográficos de cada material se obtendrán mediante análisis de los difractogramas de rayos-x, utilizando el paquete PowderCell. Los datos de los difractogramas pueden ser empíricos o calculados mediante simulación utilizando el mismo PowderCell. Esta labor será desarrollada por miembros del GMSES.
Cuando no sea posible obtener de la literatura datos de las propiedades termodinámicas de los materiales, será necesario calcularlas mediante técnicas ab initio, utilizando el paquete VASP (Vienna Ab-initio Simulation Package). Esta tarea estará a cargo del Grupo de Química Teórica (GQT). Los cálculos de digramas de fases serán realizados por el Grupo de Electroquímica y Termodinámica Computacional (GEQTC).
Miembros del GMSES y del GEQTC se harán cargo de los procesos de síntesis y de caracterización estructural y calorimétrica.