Semiconductores nanoestructurados con aplicaciones en fotovoltaica y fotocatálisis

Abstract

Los semiconductores II-VI (ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe) han captado un creciente interés en los últimos años, no solo por su papel fundamental en celdas fotovoltaicas, sino también por su versatilidad en diversas aplicaciones industriales. Estos incluyen dispositivos luminiscentes y de alta frecuencia, circuitos integrados en optoelectrónica, así como filtros y detectores para el espectro infrarrojo, visible y de rayos X. Además, su bajo impacto ambiental, derivado de su no toxicidad y abundancia natural, los convierte en opciones atractivas. Actualmente, la investigación se centra en mejorar la eficiencia de estos dispositivos, reduciendo simultáneamente los costos de producción a través de métodos innovadores y el uso de materiales sostenibles. Varios dispositivos que utilizan semiconductores II-VI han mostrado un rendimiento mejorado al combinarse con diferentes materiales activos, que incluyen polímeros como P3HT y PMM2, celdas solares sensibilizadas por colorante (DSSC) y puntos cuánticos, entre otros. Además, con el dopaje adecuado, estos semiconductores han demostrado su potencial como fotocatalizadores altamente estables, eficientes y económicamente accesibles. El ZnO, un semiconductor representativo de este grupo presenta una banda prohibida ancha de 3.2 eV y una alta energía de enlace de excitones de 60 meV. Estas propiedades se pueden modificar mediante el dopaje, lo que otorga versatilidad a este material para una amplia gama de aplicaciones. Las nano y heteroestructuras formadas por semiconductores inorgánicos pueden obtenerse a través de una variedad de métodos, como eyección magnética, molienda mecánica, electrodeposición y spin coating. La combinación del ZnO con grafeno, nanopartículas metálicas o su dopaje con diversos elementos permite el diseño estratégico de heteroestructuras, favoreciendo la sinergia entre los nanomateriales involucrados. Estas combinaciones buscan optimizar la eficiencia de los dispositivos fotovoltaicos al mejorar propiedades clave como la absorción de luz, la conductividad eléctrica y la reducción de la recombinación de pares electrón-hueco. En este trabajo se presenta un resumen de las actividades realizadas por el grupo en la preparación y caracterización de estos semiconductores y sus posibles aplicaciones. La geometría y morfología de las nanoestructuras crecidas dependen fuertemente de los parámetros intervinientes en cada método de crecimiento. Estas características, a su vez, determinan las propiedades ópticas y electrónicas del material, las cuales deben ajustarse a la aplicación específica para optimizar la eficiencia del dispositivo. Las propiedades básicas de los sistemas obtenidos se estudian mediante difracción de rayos X (XRD), calorimetría diferencial de barrido (DSC) y microscopía electrónica de barrido y transmisión (SEM, TEM). Se caracterizan sus defectos mediante medidas de vidas medias de positrones (PALS, en las muestras de polvos), sus propiedades ópticas (reflexión y/o transmisión) mediante espectroscopia UV-vis. Finalmente se discute algunas de las posibles aplicaciones de los sistemas obtenidos.