Influencia del tratamiento térmico (TT) con CdCl2 en las

INGENIERÍA
TECNOLOGÍA Y
CIENCIAS APLICADAS
Disponible en www.upmetropolitana.edu.mx
Ingeniería, Tecnología y Ciencias Aplicadas, 01 (2016): 14-16
[Engineering, Technology and Applied Sciences]
Influencia del tratamiento térmico (TT) con CdCl2 en las propiedades estructurales
y ópticas de películas delgadas de CdTe crecidas por erosión catódica
magnetoplanar de radio frecuencia
[Effects of the thermal annealing (TT) with CdCl2 on the structural and optical
properties of CdTe thin films grown by radio-frequency planar magnetron
sputtering]
H. Hernández-Contreras1*, J. A. Aguilar-Hernández2, G. Contreras-Puente2, A. E. Delgadillo-López3
1
Unidad Profesional Interdisciplinaria de Ingeniería Campus Hidalgo, Instituto Politécnico Nacional, Camerino Mendoza 308, Colonia Morelos,
Pachuca de Soto, Hidalgo, México, C. P. 42040. *E-mail: [email protected]
2
Escuela Superior de Física y Matemáticas, Instituto Politécnico Nacional, Avenida Instituto Politécnico Nacional, Edificio 9, Unidad Profesional
Adolfo López Mateos, Zacatenco, Delegación Gustavo A. Madero, Distrito Federal, México, C.P. 07738.
3
Programa Educativo de Ingeniería en Energía, Universidad Politécnica Metropolitana de Hidalgo, Boulevard de acceso a Tolcayuca 1009, Ex
Hacienda de San Javier, Tolcayuca, Hidalgo, México, C.P. 43860.
Recibido octubre, 2015; aceptado febrero, 2016
Abstract
This paper presents the study of the influence of thermal treatment with CdCl 2 on the structural and optical properties of CdTe thin films,
grown by sputtering magnetoplanar radio frequency over glass substrates, which were characterized by: X-Ray Diffraction (DR -X),
Microscopically Electronic Barrier (MEB), photoluminescence (FL) and transmittance (T). The thermal treatment was done at 450ªC for 30
min., at atmospheric pressure. The concentration of the supersaturated solution of CdCl2 was 80-20%.
Keywords: photoluminiscence, CdTe, sputtering, large area.
Resumen
El presente trabajo muestra el estudio de la influencia del tratamiento térmico con CdCl2 sobre las propiedades estructurales y ópticas de
películas delgadas de CdTe crecidas por erosión catódica magnetoplanar de radio frecuencia sobre substratos de vidrio, las cuales fueron
caracterizadas por: Difracción de Rayos X (DR-X), Microscopía Electrónica de Barrido (MEB), Fotoluminiscencia (FL) y Transmitancia (T). El
tratamiento térmico fue hecho a 450ºC durante 30 min., a presión atmosférica. La concentración de la solución sobresaturada de CdCl2 fue
del 80-20%.
Palabras clave: fotoluminiscencia, CdTe, erosión catódica, área grande.
1. Introducción
Una de las aplicaciones de la tecnología de película delgada es
la fabricación de dispositivos fotovoltaicos. La fabricación de
celdas solares de CdS/CdTe, sobre todo para área grande,
representa un reto debido a la optimización de los parámetros
críticos de crecimiento, con los cuales se pueden alcanzar las
calidades policristalinas deseadas de acuerdo a las
características fotovoltaicas requeridas.
Las celdas solares de este tipo han reportado eficiencias de
conversión mayores al 15 % lo cual muestra, a este arreglo, como
buen candidato comparado con otros materiales (Mitchell, 1979).
Existen varias técnicas para crecer películas delgadas, por
mencionar algunas: CSVT (Close Space Vapor Transport), CBD
(Chemical Bath Deposition) y erosión catódica (Sputtering).
14
H. Hernández-Contreras et al. / Ingeniería, Tecnología y Ciencias Aplicadas, 01 (2016): 14-16
Los espectros de MBE se muestran en la figura 2, tanto para el
CdTe con CdCl2, como para el CdTe con TT. Se observa la
compactación de los cúmulos, así como el área cubierta por el
tamaño de grano, el cual cambia con el TT con CdCl2.
Vidro
corning
td
(min)
60
Potencia
plasma (W)
300
Flujo Ar
(sccm)
20
La preparación del CdCl2 se efectúo con una solución sobresaturada en alcohol etílico. El depósito del CdCl2 se realizó por
medio de un sistema de pulverización con la ayuda de
Nitrógeno en gas, este sistema permitió a la gota ser pulverizada
y cubrir homogéneamente la película delgada de CdTe.
El depósito se realizó a una temperatura de 85ºC, garantizando
así la evaporación del alcohol al contacto con la muestra, a fin
de mantener el depósito de CdCl2. El TT se realizó a una
temperatura de 450ºC, a presión atmosférica, durante 30 min.
25
30
35
(331)
(311)
(222)
40
CdTe-As Grown
45
2
50
55
(331)
CdTe
Ts
(°C)
250
(400)
Substrato
(220)
Muestra
(311)
Tabla 1. Parámetros de crecimiento de las películas de CdTe.
(111)
Para el crecimiento de películas delgadas de CdTe, crecidas por
erosión catódica, se empleó el procedimiento reportado por
Hernández-Contreras et al. (2001). Dichas películas, fueron
crecidas sobre vidrio corning bajo las condiciones mostradas en
la tabla 1.
CdTe-TT
I
2. Metodología
(220)
(111)
(311)
El estudio de las técnicas de caracterización mostró los cambios
y mejorías del TT con CdCl2, además de que permite obtener con
gran certidumbre las transiciones electrónicas de la banda de
valencia a la banda de conducción en semiconductores, en
particular la energía de la brecha prohibida (Eg).
CdTe+CdCl2
(220)
(111)
Para la técnica de erosión catódica, en trabajos anteriores, se ha
realizado el estudio en películas de CdTe crecidas sobre vidrio
corning en área grande (450 cm2; Hernández-Contreras et al.,
2001). Las películas fueron analizadas estructuralmente por
medio de DR-X, MEB y ópticamente por FL y T. Para la aplicación
de todas las técnicas de caracterización, las muestras fueron
analizadas antes (as-grown) con tratamiento térmico (as-grown
+ TT) y con CdCl2 (CdCl2 +TT).
60
65
70
Figura 1. DR-X a muestras de CdTe.
Para las caracterizaciones ópticas se empleó un difractómetro
de Rayos X y un microscopio electrónico de barrido. Para la
Fotoluminiscencia, la fuente luminosa de alta intensidad la
proveyó un láser de Ar+ con longitud de onda: λ=6328Å, 1.95
eV y 3mW de potencia.
La señal proveniente de la muestra pasó por un doble
monocromador 1430-SPEX, la detección se registró por un tubo
multiplicador RCA-C31034.
La transmisión óptica fue realizada en un espectrofotómetro
UV-Vis Lamba 35 Perkin-Elmer a temperatura ambiente
(Hernández-Contreras et al., 2001).
3. Resultados
La figura 1 muestra los espectros de DR-X. Se pueden observar
los espectrogramas del CdTe, tanto para el CdTe con CdCl2,
como para el CdTe con TT. Se aprecia que existen máximos en
la fase hexagonal del CdTe. En las gráficas se detallan los índices
de Miller de los principales máximos. Otro aspecto a señalar es
que hay formación cristalina (los máximos son muy agudos). Las
películas de CdTe muestran un crecimiento preferencial en la
dirección (111), correspondiente a la fase hexagonal.
Figura 2-a. MEB de muestras de CdTe (As-Grown).
La transmitancia se observa en la figura 3. En ella, los espectros
con CdCl2 + TT muestran mejoría óptica respecto a los As-Grown
y los de TT (Hernández-Contreras et al., 2000; Huerta et al., 2000).
Para la caracterización por FL, a temperatura ambiente, los
espectros de CdTe no mostraron señal.
La figura 4 muestra los espectros de FL a 10T300 K. En ella se
observa que se localiza un pico excitónico en 1.45 eV que es
asignado a la banda de defectos. Se muestra, también, otra
transición en 1.58 eV que podría ser asignada a un cambio de fase
o a vacancias de Cd.
Engineering, Technology and Applied Sciences
15
H. Hernández-Contreras et al. / Ingeniería, Tecnología y Ciencias Aplicadas, 01 (2016): 14-16
Figura 2-b. MEB de muestras de CdTe (TT).
Figura 4. FL a 10 T 300 K en muestras con TT de CdTe.
4. Conclusiones
Figura 2-c. MEB de muestras de CdTe (CdCl2 + TT).
CdTe_AsGrown3
Agradecimientos
CdTe_AsGrown2
Parte de este proyecto fue apoyado parcialmente por el
CONACyT. Proyecto No. V47587R, agradecemos la participación
del Dr. Arturo Morales Acevedo por el apoyo técnico en la
caracterización del MEB.
CdTe_AsGrown1
Referencias
Transmitancia
CdTe_CdCl2_3
Mitchell K. W. 1979. Evaluation of the CdS/CdTe Heterojunctions
Sollar Cells. Garlad Pub. Co.
CdTe__ClCl2_2
Hernández-Contreras H., Contreras-Puente G., Aguilar-Hernández
J., Morales-Acevedo A., Vidal-Larramendi J., Vigil-Galan O. 2001.
Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 668: H8.5.1.
CdTe_CdCl2_1
Huerta J., López M., Zelaya-Ángel O. 2000. J. Vac. Sci. Technol. B.
18(3):1716.
CdTe_Tratamiento3
CdTe_tratamiento2
CdTe_tratamiento1
400
500
600
700
Se obtuvieron mejores propiedades ópticas, estructura cristalina,
tamaño de grano, absorción y emisión en películas de CdTe con
TT de CdCl2 crecidas por erosión catódica.
800
900
1000
Hernández-Contreras H., Ximello-Quiebras J. N., Mendoza-Pérez
R., Contreras-Puente G., Aguilar-Hernández J., Vigil-Galan O., CruzGandarilla F. 2000. 28th IEEE Phovoltaics Specialist Conference.
Alaska, USA. September 3-5. 2000 Proceeding IEEE-PSC 28. Pp.
700.
1100
(nm)
Figura 3. Transmitancia de las muestras de CdTe.
Engineering, Technology and Applied Sciences
16