Explorando el efecto de la composición de azufre sobre el sulfuro de estaño para mejorar el rendimiento de las células solares
Ilustración esquemática del método de pulverización asistido por plasma de azufre utilizado en este estudio. (a) Descripción general del sistema de deposición y (b) Estructura interna del proveedor de plasma de azufre. Crédito: Issei Suzuki
Las células solares convierten la luz solar en energía limpia, pero si las células solares están hechas de materiales tóxicos, casi derrota el propósito. Ahí es donde entra el sulfuro de estaño (SNS). SNS es un material semiconductor relativamente económico y amigable para el medio ambiente y relativamente económico que es un candidato prometedor para su uso en células solares y dispositivos de conversión termoeléctrica.
Para mejorar su rendimiento en estas aplicaciones, los investigadores de la Universidad de Tohoku investigaron sistemáticamente cómo las desviaciones en la relación 1: 1 de SN a S influyen en las propiedades eléctricas y la morfología de las películas delgadas SNS. Hasta ahora, lograr un control compositivo preciso de esta relación durante la deposición de película delgada ha sido un gran desafío debido a la alta volatilidad del azufre.
El equipo de investigación, dirigido por Issei Suzuki (Profesor Asistente Senior) y Taichi Nogami (candidato a Ph.D.), desarrolló un nuevo método de pulverización asistido por plasma de azufre para controlar con precisión el contenido de azufre en películas delgadas SNS. En la pulverización convencional, un objetivo sinterizado SNS se atomiza y se deposita en un sustrato.
En este estudio, publicado en APL Materials, los investigadores introdujeron el azufre activado por plasma en este proceso, permitiendo un control compositivo preciso de SNS. Usando este enfoque, fabricaron películas delgadas de tipo P SNS con relaciones SN: S de 1: 0.81, 1: 0.96, 1: 1 y 1: 1.04 y analizaron sus propiedades estructurales y eléctricas.
“Encontramos que incluso cambiar ligeramente la composición de SN y S afectó significativamente la morfología”, explica Suzuki. Específicamente, el estudio encontró que las composiciones ricas en azufre (S> 50%) conducen a un aumento drástico en la densidad del portador, mientras que las composiciones deficientes en azufre (S <50%) exhiben casi ningún cambio en la densidad del portador.
Además, las películas no estequiométricas exhibieron morfologías ásperas y porosas, mientras que las películas delgadas de SNS estequiométricas (1: 1) mostraron una estructura densa con movilidad de alta agujeros, lo que las hace muy adecuadas para aplicaciones de células solares.
(Arriba) Imágenes del microscopio electrónico de la superficie de las películas delgadas SNS estequiométricas y no estequiométricas. La composición estequiométrica exhibe una superficie lisa, mientras que la composición no estequiométrica muestra una morfología áspera. (Abajo) Ilustración esquemática de la sección transversal de las películas delgadas. Las líneas diagonales dentro de los cristalitos indican sus orientaciones. Crédito: dependencia de la composición de Issei Suzuki de (a) movilidad de agujeros y (b) densidad de portador en películas delgadas SNS. El eje horizontal representa la relación azufre (S/(SN+S)). Crédito: Issei Suzuki
Esta investigación destaca la importancia crítica del control preciso del contenido de azufre en las películas delgadas SNS y ofrece ideas valiosas para mejorar su rendimiento eléctrico e integridad estructural. Esto se basa en hallazgos anteriores de Suzuki y Nogami y sus colegas que examinaron un tipo diferente de película delgada SNS. Se espera que estos hallazgos contribuyan a la aplicación práctica de SNS en los dispositivos de conversión de energía de próxima generación.
“El siguiente paso será integrar estas películas delgadas de SNS optimizadas en células solares de alta eficiencia”, dice Nogami. “Queremos ajustar su rendimiento y escalabilidad para que puedan usarse potencialmente para generar energía limpia y ayudar a combatir el cambio climático”.
Más información: Taichi Nogami et al, no estequiometría en SNS: cómo afecta la morfología de la película delgada y las propiedades eléctricas, materiales APL (2025). Doi: 10.1063/5.0248310
Proporcionado por la Universidad de Tohoku
Cita: Explorando el efecto de la composición de azufre en el sulfuro de estaño para mejorar el rendimiento de las células solares (2025, 25 de marzo) Recuperado el 25 de marzo de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-03-explorando-effect-sulfur-composition-tin.html
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