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: hhernandezc@ipn.mx 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 10T300 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