Theoretical insights about CZTSSe chalcogenides alloys for photovoltaic applications

Abstract

El presente trabajo se centra en el estudio teórico de aleaciones tipo CZTSSe para aplicaciones fotovoltaicas. Las aleaciones CZTSSe poseen excelentes propiedades ópticas y electrónicas, lo que las convierte en candidatas prometedoras para esta aplicación. Los sistemas estudiados son Ag2ZnSnSe4, Cu2BaSnS4, Cu2CdSnS4, Cu2ZnGeS4, Cu2ZnSnS4, Cu2ZnSnSe4 y CZTSSe. Para ello, se utilizó el paquete de simulación Vienna Ab initio, que es un programa para simular propiedades electrónicas y estructurales de materiales. En primer lugar, se calcularon los diferentes módulos de bulto, que son importantes para conocer la resistencia mecánica del sistema. Luego, se obtuvieron la entalpía de mezcla y formación, lo que permite conocer la estabilidad del compuesto, es decir cual compuesto es m´ as favorable a formarse. Posteriormente, los cálculos de estructuras de bandas nos ayudaron a identificar que orbitales contribuyen más a la formación de las bandas de valencia y conducción, por ende, saber que átomo agregar para tunear la banda prohibida. Por otro lado, los valores calculados de la banda prohibida confirmaron que se trataba de semiconductores con potencial para aplicaciones fotovoltaicas, ya que se encontraban dentro del rango de 1.1-1.8 eV. Este rango de band gap es ideal porque permite una buena absorción de la luz solar y una conversión eficiente de esa luz en energía eléctrica. También se analizó como cambian estas propiedades al variar la composición de S y Se en Cu2ZnSn(SxSe1−x) (CZTSSe), utilizando valores de 0.25, 0.50, 0.375, 0.625 y 0.75. Finalmente, se determinó que la mejor composición de las aleaciones CZTSSe para aplicaciones fotovoltaicas es S0.75Se0.25 debido a un buen valor de band gap (1.55 eV), su valor de entalpía de formación (-0.44579 eV/átomo) y resistencia mecánica (65.628 GPa).