Síntesis, caracterización y cinética de densificación de películas delgadas de CdS para dispositivos optoeléctrónicos

Abstract

Tesis de maestría en nanotecnología. La era tecnológica moderna comenzó con la invención del transistor en 1947, cuando la electrónica de estado sólido nació. Desde esa fecha hemos sido testigos de un rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología. La necesidad de ahorrar peso y tamaño, para mejorar la velocidad en función de los dispositivos electrónicos, estimuló una intensa actividad de investigación con el propósito de llegar al campo de tamaño nanométrico. Al mismo tiempo el interés de todo el mundo se trasladó desde la electrónica hasta las más complejas aplicaciones optoelectrónicas. Teniendo en cuenta estas grandes tareas del siglo XXI, existe un gran interés en investigar nuevos materiales para desarrollar dispositivos electrónicos y optoelectrónicos con un alto rendimiento, desarrollados con técnicas sencillas y baratas. Se deben preparar nuevos materiales con nuevas propiedades. A partir de los años sesentas apareció un nuevo competidor en el mercado de los materiales con implicaciones en la óptica y la optoelectrónica: los materiales desordenados, amorfos o cristalinos. La ciencia del vidrio se ha ido desarrollando poco a poco y nuevos tipos de materiales han sido descubiertos. La primera de ellas fue la clase de calcogenuros, que son materiales que contienen uno o más elementos como son oxígenos, azufre, selenio y telurio [1]. Una de las principales propiedades de los materiales calcogenuros es su sensibilidad a la acción de la luz y otras radiaciones electromagnéticas. Por lo tanto, muchos de los efectos descubiertos en materiales calcogenuros se basan en el efecto o reacción ante la presencia de luz. La optoelectrónica es el nexo de unión entre los sistemas ópticos y los sistemas electrónicos. Los componentes optoelectrónicos son aquellos cuyo funcionamiento está relacionado directamente con la luz. Los dispositivos optoelectrónicos se están utilizando con mayor frecuencia en la vida cotidiana para sensar la energía luminosa y transformarla en energía eléctrica. Entre estos dispositivos optoelectrónicos encontramos los fotodetectores, los cuales varían algún parámetro eléctrico en función de la luz. Como ejemplos de estos componentes están los fotodiodos, son diodos de unión PN cuyas características eléctricas dependen de la cantidad de luz que incide sobre la unión. El efecto fundamental bajo el cual opera un fotodiodo es la generación de pares electrón-hueco debido a la energía luminosa. Entre los dispositivos electrónicos con más avance en los últimos tiempos, en cuanto a desarrollo de nuevos materiales se encuentran las celdas solares. Las celdas solares son dispositivos que producen electricidad al incidir luz, generalmente solar, sobre su superficie. Las celdas solares modernas están formadas por una unión semiconductora p-n donde los electrones y huecos se difunden a través del semiconductor a dicha unión, en donde el campo eléctrico existente los desplaza a la región donde estos electrones y huecos son portadores de carga mayoritarios. Este fenómeno de producción de voltaje y corriente se conoce como efecto fotovoltaico [2 - 3]. La gran demanda de fuentes de energía promueve el creciente interés en buscar materiales versátiles y económicos así como métodos de síntesis para la fabricación de celdas solares de película delgada. Las propiedades de los materiales semiconductores y su calidad juegan un papel importante en la eficiencia de las celdas solares basadas en tecnología de películas delgadas. Entre los varios semiconductores de tipo n utilizados como materiales de ventanas en celdas solares de películas delgadas, el sulfuro de cadmio (CdS) es la pareja de heterounión más prometedora para el sulfuro de plomo (PbS) y el telenuro de cadmio (CdTe) debido a sus excelentes propiedades [1]. CdS es un semiconductor de tipo n con una banda prohibida directa de 2.42 eV y absorción óptica apropiada en la región visible. Las películas delgadas de CdS se pueden obtener por diferentes técnicas, tales como: pulverización catódica [2], evaporación térmica [3, 4], método SILAR [5], pirólisis por pulverización [6, 7], y depósito por baño químico [8, 9]. El depósito por baño químico (CBD) es ampliamente utilizada para depositar películas delgadas, porque es una técnica sencilla, económica, escalable y muy confiable. Además, por esta técnica se pueden producir películas delgadas con una calidad aceptable para los dispositivos optoelectrónicos. La técnica del CBD ya se ha utilizado para la preparación de diversas aleaciones de semiconductores en películas delgadas (Cd1-xPbxS, Cd1-xZnxS y Cd1- xMnxS) y compuestos (CdSe, CdTe, PbS, y CdS). El interés en la técnica CDB para depositar películas delgadas de semiconductores CdS se ha incrementado debido a las relativamente altas eficiencias logradas en películas delgadas para celdas solares, específicamente, estructuras basadas en Culn(Ga)Se y CdTe [1, 10-13].