Síntesis de películas de Pb1-XSnXS por medio del método depósito por baño químico (DBQ)

Abstract

Este trabajo se centró en desarrollar una formulación para sintetizar películas delgadas de sulfuro de plomo-estaño (Pb1-xSnxS) por depósito por baño químico (DBQ), con la capacidad de modular sus propiedades en función de la relación Pb/Sn en el material. Se consideraron las reacciones de sulfuro de plomo (PbS) y sulfuro de estaño (II) (SnS) para establecer la formulación para la síntesis del material. El material ternario Pb1-xSnxS está compuesto de Pb, Sn y S. Éste presenta las mejores propiedades de PbS y SnS las cuales pueden modularse de acuerdo con la razón Pb/Sn en el material. El Pb1-xSnxS presenta un alto coeficiente de absorción en la región visible e infrarroja cercana, buena conductividad y energía de banda prohibida cercana al valor ideal para capas activas en celdas solares. Por lo tanto, el Pb1-xSnxS tiene el potencial de usarse en dispositivos como celdas solares, detectores de infrarrojos y dispositivos termoeléctricos. Aunque hay muchos trabajos sobre la síntesis de películas delgadas de PbS y SnS usando DBQ, la investigación sobre la síntesis, propiedades y aplicaciones de un semiconductor ternario Pb1-xSnxS es escasa. El desarrollo de la formulación y síntesis de películas delgadas de Pb1-xSnxS proporcionaría una nueva área de investigación para la obtención de semiconductores ternarios, con capacidad de modular sus propiedades en función de la relación de sus componentes a través de DBQ. La formulación establecida se basó en la alta miscibilidad entre PbS y SnS. Por lo tanto, el primer objetivo principal era obtener una película donde coexistieran Pb-Sn-S a través de DBQ. Para ello, se consideraron las siguientes dos opciones. La primera opción fue agregar una solución de iones Sn2+ a la formulación de PbS (RxA). La segunda opción fue agregar una solución de iones Pb2+ a la formulación de SnS (RxB). La reacción RxB fue la opción más viable para la síntesis de Pb1-xSnxS, aun así, se hicieron algunos ajustes a la formulación de RxB para aumentar el contenido de Pb en el material. Por lo tanto, DBQ consideró los mecanismos de reacción de SnS para obtener la formulación para la síntesis de Pb1-xSnxS. Se depositaron películas delgadas de Pb1-xSnxS mediante la adición de diferentes concentraciones de soluciones de Pb2+ (00,00 mmol Pb2+, 10,00 mmol Pb2+, 30,00 mmol Pb2+, 50,00 mmol Pb2+). Las películas depositadas mostraron buena adherencia y homogeneidad sobre el sustrato de vidrio. Se utilizaron espectroscopia de dispersión de energía de rayos X (EDS) y espectroscopia de fotoelectrones de emisión de rayos X (XPS) para identificar Pb2+ en el material. Se observó un cambio en la morfología de la superficie del material, reduciendo el tamaño de las nanohojuelas y formando una película delgada más compacta al disminuir el espesor de las películas de 370 nm (00.00 mmol Pb2+) a 96. (Muestra 50,00 mmol Pb2+). Este comportamiento provocó la reducción de la energía de banda prohibida de las muestras (Eg) de 1,92 a 1,38 eV, obteniendo una mejor absorción en el infrarrojo cercano (NIR). De la misma forma, la incorporación e incremento de plomo en el material promovió una disminución de la resistividad eléctrica de 1.87 x105 (muestra 00.00 mmol Pb2+) a 4.78 x102 Ω•cm (muestra 50.00 mmol Pb2+). Finalmente, al variar el tiempo de reacción se concluyó que los iones Pb2+ actúan como reactivo limitante.