Grafeno como conductor transparente en celdas solares de heterojuntura

Abstract

Actualmente nos enfrentamos a una crisis ecológica, el calentamiento global se ha intensificado y junto al desarrollo industrial, aumenta el requerimiento energético como sociedad. Hasta hoy, se han utilizado combustibles fósiles como la principal fuente de energía, sin embargo, estos recursos son limitados y altamente contaminantes, lo que nos obliga a buscar fuentes de energía renovables. Entre las energías renovables no convencionales más populares se encuentra la energía solar, captada mediante celdas solares. Las celdas solares de heterojuntura se fabrican mayoritariamente con óxido de indio y estaño (ITO) como su película conductora transparente (TCF), un material costoso, dada la escasez de indio. Para propagar el uso de energías limpias se debe encontrar la manera de volverlas más accesibles; en el caso de estas celdas solares, buscando un TCF alternativo y económico. Un material económico y un buen candidato es el grafeno. Desde su síntesis, el grafeno ha sido un material muy llamativo en numerosos campos a causa de sus excelentes propiedades estructurales, ópticas y eléctricas [1]. Su fabricación no es demasiado costosa y permite tener un gran control en la calidad del material resultante. El presente trabajo propone estudiar el potencial del grafeno como una alternativa de TCF para celdas solares de silicio de heterojuntura. Con este fin, se sintetiza grafeno utilizando deposición química en fase de vapor. Posteriormente, se transfieren películas del grafeno sintetizado de ~1𝑐𝑚2sobre vidrio, dióxido de silicio y sustratos recubiertos de ITO. La transferencia permite el estudio de las propiedades ópticas y eléctricas de grafeno como transmitancia y resistencia. La resistencia de hoja del grafeno sobre dióxido de silicio alcanzó un mínimo de ~9,1Ωsq−1, menor a la resistencia de hoja de ITO sobre dióxido de silicio, ~95Ωsq−1. Adicionalmente, la transferencia de grafeno sobre los sustratos recubiertos de ITO resultó en una disminución de la resistencia de hoja de ~95Ωsq−1a ~42,9Ωsq−1. Respecto a las propiedades ópticas, la transmitancia de las muestras de grafeno varía entre 84% y 77%, disminuyendo con el número de capas, pero siempre mayor que la de ITO, 75%.We are currently facing an ecological crisis, global warming has intensified and, together with industrial development, the energy requirement as a society is increasing. Until today, fossil fuels have been used as the main source of energy, however, these resources are limited and highly polluting, which forces us to look for renewable energy sources. Among the most popular non-conventional renewable energies is solar energy, captured by solar cells. Heterojunction solar cells are mostly made of indium tin oxide (ITO) as their transparent conductive film (TCF), an expensive material, given the scarcity of indium. To spread the use of clean energies, ways must be found to make them more accessible; in the case of these solar cells, looking for an alternative and inexpensive TCF. One inexpensive material and a good candidate is graphene. Since its synthesis, graphene has been an eye-catching material in many fields because of its excellent structural, optical, and electrical properties [1]. Its fabrication is not too expensive and allows to have a great control on the quality of the resulting material. The present work proposes to study the potential of graphene as an alternative TCF for heterojunction silicon solar cells. To this end, graphene is synthesized using chemical vapor deposition. Subsequently, ~1 𝑐𝑚2 films of the synthesized graphene are transferred onto glass, silicon dioxide and ITO coated substrates. The transfer enables the study of the optical and electrical properties of graphene such as transmittance and resistance. The sheet resistance of graphene on silicon dioxide reached a minimum of ~9,1 Ω 𝑠 𝑞 11, lower than the sheet resistance of ITO on silicon dioxide, ~95 Ω 𝑠 𝑞 11. Additionally, the transfer of graphene onto ITO coated substrates resulted in a decrease in sheet resistance from ~95 Ω 𝑠 𝑞 1 to ~42,9 Ω 𝑠 𝑞 11. Regarding the optical properties, the transmittance of the graphene samples varied between 84% and 77%, decreasing with the number of layers, but always higher than that of ITO, 75%.