Estudio estructural, óptico y de transporte eléctrico en films de nanopartículas de ZnO

Abstract

En el escenario energético actual de crisis de hidrocarburos debido a su inminenteagotamiento dentro de pocos años, así como sus cada vez más graves efectos contaminantes y de invernadero, se presenta la creciente necesidad de buscar nuevosmateriales y tecnologías con el fin de desarrollar dispositivos basados en energíasrenovables para resolver parte de esta problemática global.En este trabajo, se busca comprender los efectos de los parámetros nanoestructurales de films de nanopartículas (NPs) de ZnO sobre sus propiedades optoelectró-nicas para su aplicación en el desarrollo de celdas solares de tercera generación.Para ello, en primer lugar, se sintetizaron ZnO en cuatro sustratos de vidrio recubierto de óxido de estaño con flúor (FTO), por un abordaje bottom-up, desdela fase líquida, mediante la técnica solvotermal. Cada sustrato se colocó en unasolución con metanol como solvente y acetato de zinc y hexametilentetramina(HMTA) como precursores químicos dentro de un reactor. Se varió la concentración de ambos precursores en los rangos 0,75 M - 4,5 M, manteniendo la relaciónmolar 1:1 entre ellos.Las muestras fueron estudiadas por microscopía electrónica de barrido (SEM) yespectroscopía de fotoluminiscencia (PL). De las caracterizaciones de las mismas,se observó que se obtuvo arreglos de NPs aproximadamente isotrópicas en tama-ño. Esto es congruente con lo reportado en la literatura cuando se usa metanolcomo solvente, el cual inhibe la función ya conocida del agente alcalino HMTAen producir nanopilares de ZnO alineados en sustratos [1]. Además, se observóen general un depósito uniforme de estas NPs en el sustrato formando films. Losespectros de PL, por otro lado, exhibieron una banda de emisión en el UV yotra en el visible, centrada en el amarillo, la cual es la componente principal deesta emisión y está asociada con la vacancia de oxígeno [2]. A medida que seaumenta la concentración de precursores aumenta el tamaño de las NPs, hay undesplazamiento hacia el azul (blue shift) de la banda de emisión UV y un mayorrecubrimiento de la superficie del sustrato. Una excepción de este comportamiento se obtuvo en la muestra con la mayor concentración de precursores, la que nosiguió las tendencias del aumento del tamaño de las NPs y del corrimiento dela banda UV hacia el azul y exhibió una morfología de islas que no llegaban arecubrir el sustrato.Se estudiaron las propiedades eléctricas de las muestras midiendo curvas I-V en oscuridad, resistencia eléctrica en oscuridad e iluminadas con fuentes de luz visibleUV en función del tiempo, resistencia eléctrica en función de la longitud de onda y conductancia eléctrica en función de la temperatura en vacío y oscuridad.Sorprendentemente, la conductancia eléctrica aumenta muy lentamente con latemperatura de la muestra y se observan tiempos de formación y decaimientode la fotoconductividad relativamente cortos, del orden de segundos. Este comportamiento es muy distinto del observado en films nanoestructurados de ZnOfabricados por métodos tradicionales, donde hay una fuerte dependencia de laconductividad con la temperatura y fotoconductividad persistente de decenas dehoras. Los posibles motivos de esta profunda diferencia de comportamientos serándiscutidos en términos de los diferentes mecanismos de transporte en función dela morfología y los tamaños de NPs.