Diseño de fases cristalinas tipo perovskita con potenciales aplicaciones fotovoltaicas

Abstract

Actualmente la humanidad se debate en el contexto de una crisis ambiental y energética debido al agotamiento de las reservas de combustibles fósiles que tradicionalmente se utilizan para generar energía. Por esta razón muchas investigaciones se han enfocado en el desarrollo de fuentes alternativas de energía, renovables y benignas con el medio ambiente. Una de las mas importantes fuentes alternativas de energía es la energía solar que aprovecha directamente la radiación procedente del sol para producir calor o electricidad. Se han construido muchos dispositivos que aprovechan la radiación solar que alcanza la corteza terrestre y entre estos, los más interesantes y promisorios son las celdas solares, que convierten directamente la luz solar en electricidad, debido al efecto fotovoltaico. Desde sus inicios, las celdas solares han sido objeto de amplias investigaciones direccionadas tanto a la maximización de su eficiencia, como a su fabricación con materiales cada vez más baratos, menos tóxicos, abundantes en la corteza terrestre y escalable para la producción a nivel comercial e industrial. Un material promisorio para la elaboración de celdas solares son los cerámicos tipo perovsquita como el titanozirconitas de plomo y lantano o PLZT. Este material es importante tecnológicamente debido a que tiene una amplia gama de composiciones que permiten obtener varias propiedades tales como dieléctricas, piezoeléctricas, piroeléctricas, ferroelectricas y electroopticas. Una de las composiciones mas interesantes del sistema PLZT es la Pb0.93La0.03Zr0.52Ti0.48O3 o mas conocido como PLZT(3/52/48) debido a sus propiedades electroópticas ya que este material presenta una alta transparencia óptica y una alta velocidad de respuesta.

El PLZT(3/52/48) es un material ferroeléctrico que exhibe efectos fotovoltaicos cuando es irradiado con luz. Este fenómeno fotovoltaico que ocurre en varios materiales ferroeléctricos es muy similar al que presenta una juntura de semiconductores p‐n, pero el mecanismo de producción del efecto es enteramente diferente. Cuando un material ferroeléctrico es iluminado uniformemente un alto voltaje, que es considerado superior a la banda prohibida del material, es generado. En un material ferroeléctrico como el PLZT(3/52/48) este voltaje es del orden de los kV/cm (105 V/m). Principalmente hay dos clases de muestras fotovoltaicas las de bloque y las de película delgada. Hay una gran diferencia entre estas dos clases de muestras ya que en bloque se presenta una salida de voltaje alta del orden de los kilovoltios pero una salida de corriente muy pequeña del orden de los nanoamperios; mientras que en película delgada la salida de voltaje es del orden de los voltios y la corriente producida es del orden de los microamperios. Las muestras preparadas en bloque tienen varios factores que influyen en las propiedades fotovoltaicas como son la ruta de síntesis, el tamaño de grano, homogeneidad, elementos que la componen, aditivos dopantes. En cuanto a muestras preparadas en película delgada los factores que influyen principalmente además de la ruta de síntesis, la textura, elementos que la componen y aditivos dopantes es el espesor y la orientación de la película.

En distintos estudios se ha preparado PLZT en película delgada y en bloque, estableciendo que la estequiometría optima para obtener las mejores propiedades fotovoltaicas es una relación 3/52/48. Además de esta estequiometria las propiedades fotovoltaicas del PLZT se pueden potenciar con la adición de aditivos donadores o ablandadores como Nb5+, Ta5+ y W6+. La orientación de planos cristalográficos en película delgada es un factor crucial para potenciar las propiedades fotovoltaicas ya que las películas orientadas en el plano (001) exhibe propiedades fotovoltaicas aproximadamente 20 veces más grande que una película orientada aleatoriamente. La intención de este estudio es producir muestras de PLZT (3/52/48) dopadas con Nb5+, Ta5+ y W6+ en bloque utilizando el método citrato amorfo debido a sus amplias ventajas frente a otras técnicas y a partir de estas muestras en bloque producir las mismas muestras ahora en película delgada por el método de ablación láser debido a sus diversas ventajas entre ellas la transferencia congruente de estequiometria es decir conservar la composición desde el blanco (en este caso en bloque) hasta la película delgada. Ya teniendo las muestras se caracterizaran sus propiedades fotovoltaicas para una posible utilización de estos materiales en un dispositivo fotovoltaico.