Instituto Politécnico Nacional, Secretaría de Investigación y Posgrado Convocatoria de Proyectos Multidisciplinarios de Investigación

Científica y Tecnológica 2011

INFORME TÉCNICO PARCIAL Módulo 1

Avance reportado 35%

Título del programa, clave 1267: Mediano Plazo: 2011-2012 ESTUDIO DE MATERIALES PARA CELDAS SOLARES DE PELICULA DELGADA BASADAS EN CUINSE2 Y PROSPECCIÓN FOTOVOLTAICA EN EL SUR DE TAMAULIPAS. Coordinador del Programa: Dr. Felipe Caballero Briones, CICATA-Altamira Módulos que conforman el programa:

1. Desarrollo de metodos electroquimicos avanzados para la preparación de películas de CuInSe2 (CIS) y de heteroestructuras CIS/CdS para celdas solares prototipo. Director: Dr. Felipe Caballero Briones, CICATA-Altamira. (LGAC de Ingeniería y Procesamiento de Materiales).

2. Efecto de los parámetros de crecimiento en películas delgadas de ZnO y ZnO:Al depositadas por rocío pirolítico ultrasónico para su posible aplicación en Celdas Solares de CuInSe2 (CIS). Director: MC Fabio Chale Lara, CICATA-Altamira. (LGAC de Ingeniería y Procesamiento de Materiales)

3. Caracterizaciones ópticas de heteroestructuras CuInSe2. Director: Dr. Eugenio Rodriguez González, CICATA-Altamira. (LGAC de Tecnología Láser)

4. Monitoreo de celdas fotovoltaicas bajo condiciones ambientales reales. Director: Dr. David

Alberto Rivas Camargo, CICATA-Altamira. (LGAC de Ciencias Oceánicas Aplicadas e Ingeniería Costera)

Resumen

Durante el año 2011 se dio inicio a este Programa Multidisciplinario. Se acondicionaron los espacios físicos del laboratorio, se construyeron campanas de humos, se adquirieron material y reactivos y el equipo para montar las técnicas de caracterización ópticas, la de preparación de películas por spray pyrolysis y la prospección fotovoltaica en CICATA. Se impartió un curso de Técnicas Nanométricas a los estudiantes de CICATA Altamira. Se incorporó una estudiante de Maestría. Se puso en operación el método del baño químico y se prepararon y caracterizaron películas de CdS:Mg como parte de una colaboración interinstutucional. Con los resultados se está terminando un artículo próximo a enviarse a publicación. Se prepararon algunas películas de CuInSe2 por un método de electrodepósito pulsado y se estudiaron algunas de sus propiedades.

Introducción Esta Memoria destaca fundamentalmente la creación del Laboratorio de Materiales Fotovoltaicos en CICATA Altamira. Se conjuntaron los recursos financieros de los cuatro módulos de este programa para tres grandes objetivos: i) la adecuación de los espacios incluyendo construir enteramente campanas de extracción, divisiones para alojar cinco laboratorios relacionados con las líneas de este grupo y hacer todas las instalaciones eléctricas e hidráulicas correspondientes. ii) adquirir los equipos necesarios para completar las técnicas de que se disponía y montar un laboratorio especializado en caracterizaciones ópticas y iii) adquirir los consumibles e insumos necesarios para operar y darle atención a los estudiantes que se incorporaran al proyecto. Este primer año se captó únicamente un estudiante, pero con la atracción de la infraestructura y las líneas de trabajo propuestas, nuestro grupo recibió otros nueve estudiantes de posgrado y dos de licenciatura para el próximo ciclo. Es destacable la sinergia lograda con las colaboraciones que este programa tiene con las instituciones nacionales y del extranjero invitadas a participar, al grado que se consiguió escribir con los resultados obtenidos un primer artículo que será enviado próximamente a publicación y se impartió un curso de alto nivel en el CICATA, en el marco de la Semana Nacional de Ciencia y Tecnología de la cual fuimos sede regional en Tamaulipas. Del mismo modo, con los avances realizados se consiguió ampliar el espectro de colaboraciones hacia otra Universidad nacional, a la que se le transferirá la tecnología del baño químico y con la que se participará en dos proyectos a financiarse por CONACYT. Objetivos alcanzados Se adquirió lo necesario para completar y actualizar los sistemas para el crecimiento de películas de los diferentes materiales que conforman una celda solar basada en CuInSe2. Se implementó la preparación de películas de CuInSe2 con características fotovoltaicas por un método pulsado desarrollado recientemente. Se terminará de construir un nuevo sistema para el depósito de películas transparentes conductoras de ZnO:Al por spray pyrolysis. Se inició el crecimiento de películas de CdS por la técnica de baño químico con incorporación de impurezas extrínsecas y se estudió el efecto correspondiente en las propiedades optoelectrónicas y la respuesta de fotocorriente. Se realizó un análisis de las bases de datos disponibles y se relacionó con medidas experimentales de las estaciones regionales de la CONAGUA Se inició en este módulo la dirección de una tesis de maestría y se logró atraer mas estudiantes para el siguiente período. Metas alcanzadas Se logro obtener algunas peliculas de CIS por electrodepósito y de CdS y CdS:Mg por baño químico. Se adquirió lo necesario para actualizar los sistemas de depósito para un mejor control de las condiciones y propiedades de de las películas. Se adquirió lo necesario para completar el montaje de las técnicas de fotolumiscencia, absorción y respuesta fotovoltaica en el ultravioleta-infrarrojo cercano en un área de nuestro laboratorio y la estación meterológica para crear el mapa anual de insolación en las instalaciones del CICATA Se incorporó un alumno PIFI Se escribió un artículo de investigación para ser enviado próximamente Métodos y materiales En la descripción de los resultados se hace mención a los métodos y materiales empleados.

Resultados 1. Acondicionamiento del Laboratorio de Materiales Fotovoltaicos del CICATA Altamira

En un área de aproximadamente 140 metros cuadrados se realizaron las siguientes obras de acondicionamiento, adaptación y construcción :

Se retiraron las divisiones de tablarroca que separaban el laboratorio en dos áreas. Se realizó una nueva

división del espacio en seis partes utilizando paneles de PVC. En los espacios resultantes se hizo la

instalación eléctrica correspondiente con capacidad de 110 y 220 V con una, dos y tres fases y tomacorrientes

para los equipos futuros. En la Figura 1 se muestra un plano del Laboratorio con las divisiones realizadas.

Figura 1. Plano de las áreas del Laboratorio de Materiales Fotovoltaicos de CICATA Altamira

Se abrió una puerta de emergencia con abrepuertas de pánico que da la parte posterior del edificio.

Se hicieron tres campanas de humos de mampostería, se recubrieron de azulejo, se cerraron las vitrinas con

acrílico con sus correspondientes ventanas de guillotina, se diseñaron y mandaron a hacer los

correspondientes conos de extracción con lámina de acero inoxidable, se prepararon instalaciones eléctricas

con tomacorrientes y de gases para las tres campanas y en una se instaló agua corriente. Con los recursos

de la partida 5000 asignados a este Programa se adquirieron los extractores de vapores ácidos de 0.5 HP

para cada campana. En las fotografías de la serie de Figuras 2-4 se presenta la secuencia de las obras desde

su inicio hasta el estado actual.

Figura 2. Estado inicial del Laboratorio.

Figura 3. Aspectos de la instalación de los paneles de PVC y de la apertura de la puerta de emergencia.

Figura 4. Aspectos del Laboratorio: Divisiones de PVC, puerta de emergencia, campanas de humos

terminadas, incluyendo puertas de acrílico y conos de extracción.

2. Compra de material de laboratorio y reactivos

Se adquirieron material de vidrio, de laboratorio general, papelería y reactivos para la preparación de los

materiales que se estudiarán durante el desarrollo de este Programa: CIS, CdS, ZnO:Al, y se actualizaron las

computadoras de los profesores integrantes del Programa.

3. Adquisición de equipo

Con los recursos de la partida 5000 se compraron los siguientes equipos:

Mesa óptica para la instalación de las técnicas de caracterización reportadas en el módulo:

Caracterizaciones ópticas de heteroestructuras CuInSe2. Dirigido por el Dr. Eugenio Rodriguez

Fuente de voltaje para el montaje de la técnica de spray pyrolysis, para las actividades del módulo:

Efecto de los parámetros de crecimiento en películas delgadas de ZnO y ZnO:Al depositadas

por rocío pirolítico ultrasónico para su posible aplicación en Celdas Solares de CuInSe2 (CIS),

dirigido por el Dr. Fabio Chale Lara

Estación meteorológica y repetidor de señal inalámbrica para las actividades del módulo: Monitoreo

de celdas fotovoltaicas bajo condiciones ambientales reales, dirigido por el Dr. David Rivas

pHmetro, balanza analítica y baño limpiador por ultrasonidos para uso general del Laboratorio

Extractores de vapores ácidos para las campanas de humos

4. Con los recursos de la partida 4000 y recursos de un proyecto vinculado se invitó al Dr. Fausto Sanz

Carrasco, Catedrático de la Universidad de Barcelona, a impartir el curso “Técnicas de Sonda

Próxima Aplicadas a Materiales” con duración de 10 horas los días 20, 21, 24, 25 y 26 de octubre de

2011 dirigido a los alumnos del Posgrado en Tecnología Avanzada.

5. Preparación y caracterización de películas de CuInSe2 (CIS) por electrodepósito

Se ha desarrollado un proceso de preparación de películas de CIS sobre sustratos de ITO por

electrodepósito pulsado a diferentes condiciones de concentración y secuencia de aplicación de

potencial. El proceso pulsado consiste ciclos de aplicación de pulsos de 0.5 s al potencial de

reducción de cada catión (Cu, Se, In respectivamente), como se muestra en la Figura 5.

Figura 5. Izquierda: aplicación de un potencial fijo. Derecha: aplicación de pulsos de potencial

En la Figura 6 se presenta una fotografía de una muestra típica. Las muestras tienen problemas de

adherencia cuando se superan los 100 ciclos de depósito. Se supone que esto se deba a formación

de cargas durante el depósito o a depleción de reactivos en la disolución.

Figura 6.Muestra de CIS preparada sobre un sustrato de ITO y celda electroquímica

Ue v

s S

SC

(V)

Time (s)

0

-1

-0.5 V

Fixed potential

Ue v

s S

S C

(V

)

Time (s)

0

-1

cycle

Pulsed method

En la Figura 7 la topografía obtenida por microscopia confocal de 6 muestras de CIS/ITO preparadas

en diferentes condiciones:

a) Pulsos 400 ciclos de depósito. b)Pulsos 800 ciclos

c) Pulsos 1600 ciclos d) Pulsos 3200 ciclos

e) Barrido -0.5 V, 500 ciclos f) Barrido -0.5 V, 500 ciclos

Como conclusión principal se hace notar la falta de adherencia a largos tiempos de depósito.

Los resultados preliminares (no mostrados) indican que las películas de CIS presentan diferentes

fases asociadas con Se y Cu-Se que se habían encontrado en trabajos previos.

Se propone utilizar sustratos metálicos para posteriores experimentos o electrodepositar sobre

sustratos recubiertos con la capa de CdS para formar heteroestructuras ITO/ZnO/CdS/CIS/metal.

Los resultados aun son preliminares por falta de tiempo dado el momento en que se empezó a

ejercer el presupuesto y a las obras de adecuación del laboratorio.

6. Preparación y caracterización de películas de CdS y CdSMg por el método del baño químico.

El sistema del que se disponía se calibró para la obtención de películas de 100 nm de espesor, que

es lo que requiere la celda solar. Se realizaron crecimientos para comparar las condiciones de

temperatura/tiempo y estabilidad del sistema. Se incorporó Mg como impurificante para modificar las

propiedades optoelectrónicas. La caracterización se realizó en colaboración con la Universidad de

Barcelona, el CINVESTAV Mérida y la Universidad de La Habana

7. Elaboración del artículo:

“Mg-doped CdS thin films prepared by chemical bath deposition: optical, structural and

nanophotoelectrical characterization” que está en proceso de revisión final antes de enviarse a

publicación (se anexa borrador del manuscrito sin figuras)

8. Formación de recursos humanos

Alumna de maestría: Flor Benilde Griego Sánchez, Programa Institucional de Formación de

Investigadores, Maestría en Tecnología Avanzada. Proyecto de Tesis: Capas ventana para celdas

solares de segunda generación. Inició en agosto de 2011.

En el semestre enero-julio de 2012 se incorporaron dos alumnos de residencias profesionales y 3

alumnos de maestría que serán adscritos a este proyecto.

9. Colaboraciones

Se participó en la elaboración del proyecto “Relación entre estructura atómica y propiedades del

semiconductor Cu2ZnSnS4 para su uso como material fotovoltaico” sometido a la convocatoria 2011

de Ciencia Básica de CONACYT, dirigido por el Dr. Francisco Javier Espinosa Faller de la

Universidad Marista de Mérida, donde como parte de la colaboración se instalará un sistema de baño

químico en la UMM con el cual se prepararán capas de CdS para preparar heteroestructuras

Cu2ZnSnS4/CdS para la futura fabricación de una celda solar de impacto ambiental reducido. En esta

misma colaboración se ha propuesto la codirección de una tesis de maestría.

Conclusiones

Se logró acondicionar el laboratorio de materiales fotovoltaicos incluyendo división de espacios, instalaciones

eléctricas, campanas de humos y salidas de emergencia. Se instalaron las técnicas de baño químico, se

terminará de instalar las técnicas de caracterización óptica. Se escribió un artículo que será enviado a publicar

este semestre en colaboración interinstitucional. Se hicieron pruebas preliminares para el depósito de CIS y

se midieron algunas propiedades de las capas.

Impacto de la investigación

En el transcurso de este año se generó y adquirió la infraestructura necesaria para el Laboratorio de

Materiales Fotovoltaicos y se adquirieron los insumos necesarios para concluir el proyecto en el año 2012.

Con el estímulo de contar con este proyecto y la perspectiva de un laboratorio que estará a pleno rendimineot

próximamente, en el semestre enero-julio de 2012 se inscribieron 9 alumnos de maestría y dos de residencia

profesionales a nuestro grupo, de los cuales 3 de maestría y los 2 de residencias quedaron directamente

adscritos a este módulo. Se solicitaron 9 becas PIFI. Se inició una colaboración con la Universidad Marista de

Mérida que contempla la transferencia de la tecnología del baño químico a esta institución para el logro de

metas comunes en proyectos relacionados.

Mg-doped CdS thin films prepared by chemical bath deposition:

optical, structural and nanophotoelectrical characterization.

F. Caballero-Briones1,*, A. Palacios-Padrós2, O. Calzadilla3, F. Chalé1, J.L. Peña4 and F.

Sanz5,1

1Laboratorio de Materiales Fotovoltaicos, CICATA-IPN Altamira, Km 14.5 Carr.

Tampico-Pto Industrial Altamira, 89600 Altamira, México.

2Department of Physical Chemistry, Universitat de Barcelona, Martí i Franquès 1,

08028 Barcelona, Spain.

3Facultad de Física, Universidad de La Habana, San Lázaro y L, Vedado 10400 La

Habana, Cuba.

4Department of Applied Physics, CINVESTAV-IPN Unidad Mérida, Km 6 Antigua

Carretera Progreso, 97310 Mérida, México.

5Institute for Bioengineering of Catalonia, Edifici Hèlix, Baldiri i Reixac 15-21,

08028 Barcelona, Spain.

*Corresponding autor: fcaballero@ipn.mx.

Abstract

Magnesium doped CdS films with different Mg content have been prepared by

chemical bath deposition onto glass substrates. A decrease in the band gap

energy from 2.42 eV to 2.33 eV for a Mg doping up to 0.9 at% has been observed,

the followed by an increase up to 2.40 eV when Mg content was again increased

up to 1.5 at%. The Urbach tail parameter evolution with the film composition

suggests that the non-linear behavior –bowing- of the band gap could be attributed

to both the ion size and electronegativity differences between Mg and Cd cations.

The calculated lattice parameter increases from 5.617 Å for the undoped CdS film

to 5.814 Å for the CdS:1.5 at% Mg, suggesting interstitial rather than substitutional

Mg location into the zinc-blende lattice. Using photocurrent sensing atomic force

microscopy (PCAFM) an increasing photocurrent response was measured as the

Mg content was increased in the films, and, the I-V curves indicate n-type doping

character. The charge carrier increment in Mg doped CdS becomes evident in the

PCAFM images and the qualitative change in the photoconduction behavior is

attributable to the Mg incorporation to the CdS lattice.

Keywords:

CdS, Chemical Bath Deposition, Mg-doping, photocurrent sensing atomic force

microscopy

1.Introduction

Cadmium sulfide (CdS) thin films are commonly employed as n-type, window

layers for Cu(InGa)Se2 (CIGS) and CdTe-based solar cells [1-4]. The contribution

of the CdS films to the device photocurrent is usually low and its role is usually

limited to allow the pass of photons to the absorber layer [1-4]. On the other hand,

it has been mentioned that absorption on the CdS window layer accounts for

photocurrent losses around 2% in both CdTe and CIGS solar cells; to reduce this

effect, thinner CdS films (less than 100 nm) and the use of window material with

larger band gap to reduce this effect are currently being explored [3,4].

Isovalent doping has been looked as a useful strategy in II-VI semiconductors to

produce devices with enhanced efficiencies. Examples include Mn-doped [5] and

Cu-doped CdS [6] to increase the photoconductivity; the band gap increase in Zn1-

xMgxO alloys without loss of n-type conductivity [7]; variation in the

photoluminescence properties in CdS:Sr [8] and the overall increase in the cell

efficiencies by Mn doping in CdMnTe/CdS solar cells [9] respectively.

Within these guidelines, in this work, we prepared Mg-doped CdS films with

different Mg at% using the chemical bath deposition method (CBD) and some of

their physical properties, such as composition, optical behavior and crystal

structure were studied, thus assessing their nanophotoelectric response to the

using a current sensing atomic force microscopy (PCAFM).

2. Experimental details

The film deposition was performed at 64ºC in a homemade thermostatized cell

using glass slides as substrates. The precursor solutions for the chemical bath

were 0.02M CdCl2; 0.5M KOH; 1.5M NH4NO3 and 0.2M CS(NH2)2 prepared from

high purity reactants (Riedel de Häen, Deutschland). For CdS:Mg film deposition,

different volumes of a 0.04M MgCl2 solution were employed to give a determined

Mg/Cd molar ratio in the bath ranging from 0 to 1. Films with thicknesses around

100 nm were prepared. The films were analyzed by X-ray photoelectron

spectroscopy (XPS), grazing incidence X-ray diffraction (GIXRD), optical

absorption and photocurrent sensing atomic force microscopy (PCAFM). The

PCAFM measurements were made in a Dimension 3000 microscope equipped

with a TUNA amplifier (Veeco, USA), using conductive TiN-coated silicon AFM

cantilevers (NTMDT, Russia) wearing a tip curvature radius of 35 nm. The bias

potential was applied to the sample holder while the tip was grounded. To ensure

an appropriate electrical contact between the tip and the film, previous to the

PCAFM experiments the tip deflection was adjusted to ensure a constant current

signal in a commercial ITO covered glass (20 ohm/square, Solems, France).

Topographic and current images were acquired simultaneously and, I-V curves

were acquired in a centered location of a conductive 200x200 nm2 area. An

average of 20 I-V curves was made in the same location to compensate thermal

drift. Both images and I-V curves were acquired in the dark condition and

illuminating with a 150 W white source (Dolan Jenner, USA) through an optical

fiber.

3. Results and discussion

Fig 1c depicts the Mg concentration in the films determined from the XPS

measurements versus the Mg/Cd molar ratio in the bath.

In the case of a CBD deposition, Cd2+ concentration is controlled by the slow

hydrolysis of an amino-complex, i.e. [Cd(NH3)4]2+. In the nucleation stage, the first

released Cd2+ ions adsorb onto the surface to create the initial Cd(OH)2-like germs

that are lately transformed into CdS as the added thiourea hydrolyzes to S2- in the

alkaline reactive bath. The simultaneous incorporation of other metal atoms to the

film is then ruled by the hydrolysis rate of the corresponding complex and by the

precipitation equilibrium constant, Ksp of the corresponding metal hydroxides. Both

Mg and Cd form amino complexes, although the Mg-amino complex hydrolysis rate

is higher [10] leading to a rapid homogeneous precipitation. On the other side,

Mg(OH)2 has a reported Ksp = 8.9x10-12, three orders of magnitude higher than that

of Cd(OH)2, Ksp=5.9x10-15, thus the possibility of creating mixed Mg/Cd hydroxide

germs low, then allowing the Mg to incorporate at dopant level.

From the transmittance measurements, the direct band gap was calculated using

the expression:

21)( gEhAh (1)

where α the absorption coefficient, A is a constant and Eg the band gap energy for

a direct transition between parabolic bands [11]. The band gap value is obtained by

extrapolation of the linear part of the (αhν)2 versus (hν) plot (known as Tauc plot) at

(αhν)2 = 0.

The exponential region below Eg in the absorption spectra (αhν) versus (hν) was

fitted to calculate the Urbach tail parameter (E0) using [12]:

0

0 exp)(E

hvhv (2)

where α0 is a constant and E0 accounts for the disorder in the material and it is a

sum of contributions related with the nature of the defects [12].

Figure 2 shows the evolution of the calculated optical band gap and the Urbach tail

parameter of the prepared CdS:Mg films versus the Mg concentration. A pseudo-

parabolic variation of Eg with the Mg content is observed, having a minimum value

of 2.33 eV for a Mg content around 0.9 at% is observed. Further increasing Mg

contents in the films promotes a Eg increase reaching a of 2.40 eV with the

maximum Mg concentration of 1.5 at%. On the other hand, E0 behavior shows a

complementary trend. The non linear dependence of the band gap with the film Mg

atomic content can be understood in terms of the widely described phenomenon of

optical bowing [13]. Bernard and Zunger [13] indicate that the Eg bowing in

pseudobinary allows with common ions, arises from charge exchange, volume

deformation, and structural relaxation. They point out that the bowing increases

with increasing size and electronegativity difference between the non-common,

isovalent ions of the alloy. As much as the electronegativity and size difference

between Cd and Mg is large (Pauling electronegativities Mg=1.31, Cd=1.69 and

effective ion sizes [14] Mg=1.11 Å and Cd=1.31 Å respectively) we can explain the

observed effect in Eg following the disorder tendency observed in the calculated

Urbach tail parameter.

Figure 3 presents the grazing incidence X-ray diffractograms of an undoped CdS

film and of the CdS film with a 1.5 at% Mg content. The films present preferentially

the CdS cubic phase, with clearly defined peaks corresponding to the (111), (200),

(220), (311), (222), (331), (420) and (422) zincblende peaks. Neither MgS nor MgO

related peaks were noticed. Diffraction peaks were fitted to pseudo Voigt functions

and were indexed using the powder diffraction database [15]. The lattice

parameters were calculated from slope in a sin2θ vs (h2+k2+l2) plot, given values of

a=5.617 Å for the undoped CdS film and a=5.814 Å for the CdS:Mg film

respectively. Undoped films grow under compressive stress, and comparing these

results with the reported lattice parameter a=5.818 Å for cubic CdS [15], a clear

expansion of the lattice occurs with Mg incorporation in a similar way as the cell

expansion reported for CdTe films with low oxygen concentrations [16]. Therefore,

we can neglect Mg incorporation in substitutional positions as it would lead to

lattice compression as the reported effective radius of Mg is smaller than that of

Cd, thus it can be assumed that Mg incorporates preferentially in interstitial

positions.

Figure 4 shows the I-V curves obtained under illumination for both the undoped

CdS film and the film with 1.5 at% Mg. Inset shows the corresponding curves in the

dark. The current displays a rectifying behavior and, the current sign being

negative due to the circuit configuration, with the tip as current sensor. The

diagram of the circuit configuration is depicted as inset in the Figure 4. Therefore is

possible to assert that both films are n-type semiconducting and that the metal-

semiconductor contact behaves as a Schottky diode. The photocurrent increases a

factor of three in the case of the CdS:Mg film curve with respect to the undoped

one, but with respect to its own dark current, the increase is 20 times compared

with the 2 time increase of the photocurrent in the undoped CdS. Although CdS-

based Schottky contacts are usually considered majority carrier devices, it has

been mentioned that the generation of minority carriers can take place

simultaneously [17]. Particularly, in our films we observe a small current at positive

voltage (reverse bias condition in our configuration) that enhances with Mg doping

in illuminated conditions.

Figure 5 presents the topography and the current images obtained in the both films

at a bias potential of +1 V that corresponds to the reverse bias for the n-type films,

in order to observe the local change in the charge carriers due to illumination

[17,18]. In dark condition, the undoped film displays only very few conducting

locations (bright spots) compared with the CdS:Mg film. The observed strips

account for the noise current. Upon illumination, new conducting spots appear in

both samples due to the photogenerated carriers. It is noticeable observing the

current z-scales that for the CdS:Mg film the photocurrent increment is 20 times

larger than for the undoped one. In the undoped films, the phototransport occurs

preferentially through the grain boundaries, in agreement with the results of Azulay

et al. when they illuminate with a white source [19]. In the Mg-doped film, the

conductivity spans from the whole grain surfaces. Taking into account that current

flows from the grain to the tip it is possible to say that the increase in the charge

carriers due to illumination is produced in the grain and not in the grain boundaries

for this film.

The qualitative difference in the electrical behavior suggests that Mg is distributed

through the CdS lattice and not segregated to the grain boundaries. Pointing

towards the same conclusion we have from the expansion of the crystal lattice

observed in the X-ray diffraction measurements. Our results suggest that the use

of Mg-doped films in CIGS and CdTe-based solar cells would provide an

enhancement of the photocurrent with a reduced lattice mismatch (10% for the

CdS:Mg film with respect to CdTe, compared with 13% for undoped CdS,

respectively).

4. Conclusions

N-type CdS:Mg films with different Mg concentration were prepared by CBD on

glass substrates. Mg-doped films show a non-linear variation –bowing- in the band

gap energy with the increasing content of Mg. The analysis of the Urbach tail

parameter suggests that the disorder caused by the introduction of highly

electropositive Mg ions in interstitial positions is the main cause of the Eg bowing.

Increased photocurrent response was observed by photocurrent atomic force

microscopy. The transport of the charge carriers was also found to be different, as

the conductive region in doped CdS is distributed along the grain surfaces while for

undoped CdS photoconduction seems to occur preferentially along the grain

boundaries. We propose that the use of CdS:Mg films would contribute to the

efficiency of CdTe and CIGS based solar cells.

Acknowledgements

Financial support from SIP-IPN Mexico through the project SIP1267-20113374 and

from the MICINN-Spain through the project CTQ-201125156 is recognized. OCA

and JLP acknowledge Invited Professor Grants from BKC-UB. APP thanks MICINN

support through a FPU grant. Technical support from SCT-UB units Nanometrical

Techniques, Molecular spectroscopy and X-ray diffraction is also acknowledged.

A. Carreté is acknowledged by the preparation of the samples used in the first

version of this manuscript.

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polycrystalline CdS?, App. Phys. Lett. 86, 2005, 212102.

Figure captions

Figure 1. Mg content in the prepared CdS:Mg films versus the Mg/Cd molar ratio in the

deposition bath.

Figure 2. Band gap and Urbach tail parameter as function of the Mg content in the CdS:Mg

films.

Figure 3. X-ray diffractograms for undoped CdS and for CdS:Mg film 1.5 at% Mg. Powder

patterns of cubic and hexagonal CdS phases and cubic MgS phase are included for

comparison.

Figure 4. Photocurrent-voltage curves obtained in a conductive region of the undoped CdS

film and of the CdS:Mg with 1.5%at Mg. Insets shows the corresponding I-V curves in the

dark conditions and the diagram configuration of the CAFM measuring system.

Figure 5. Overimposed 200x200 nm2 topographic (contours) and electrical CAFM images

obtained at a bias voltage of +1 V. Undoped CdS film (a-b) and CdS:Mg film with 1.5 at%

Mg (c-d). Images (a,c) were acquired in dark condition and images (b,d) when illuminating

with white light. Topographic z-scales (not shown) are 100 nm for the undoped CdS

images and 50 nm for CdS:Mg. Z-scales of the electrical images are depicted beside each

image.