¿El semiconductor ZnO es fotorresistivo?

Saludos mis estimados amigos de la comunidad científica #stem-espanol

En una experiencia de laboratorio procedí a depositar una película delgada de ZnO sobre un material semiconductor para obtener un dispositivo de unión p-CuInTe₂/n-ZnO, pero no cubrió completamente la superficie del semiconductor por lo que tomé un sustrato de vidrio y utilicé el procedimiento de inmersiones sucesivas (SILAR) para cubrir gran parte del sustrato, como se observa en la fotografía. Ahora sí tenía una película delgada y homogénea de ZnO y le coloqué unos contactos eléctricos de pintura de Ag con cables conductores de cobre para verificar su conductividad eléctrica.

En el caso de una capa delgada de sulfuro de cadmio (CdS) se ha establecido que actúa como una fotorresistencia clásica, es decir que su resistencia eléctrica cambia al incidir la radiación de luz sobre su superficie. La respuesta de fotocorriente puede ser lenta o rápida, dependiendo de los fenómenos físicos de creación de los pares electrón-hueco dentro de sus bandas energéticas. Es muy común que las fotorrsistencias de CdS se expongan a la radiación por al menos 30 a 45 minutos para determinar el cambio límte inferior y superior de su resistencia eléctrica, por lo que su respuesta de fotocorriente es relativamente lenta. Este es el mecanismo de respuesta espectral a medida que se va ocultando el Sol, la resistencia aumenta hasta unos 10 MΩ actuando como un interruptor "eléctrico" de origen óptico, permitiendo el encendido de luminarias.

En esta experiencia de sensibilidad óptica del semiconductor ZnO le coloco un electrodo de contacto eléctrico con pintura de plata (Ag) sobre la capa delgada y le uno un cable delgado de cobre, lo expongo a la radiación solar y mido la variación de la resistencia eléctrica en función del tiempo de exposición. Se sabe que la brecha de energía del ZnO ronda los 3,4 eV (365 nm) y es sensible a la región ultravioleta (UVA) del espectro electromagnético, siendo predominante los mecanismos de adsorción y desorción de los átomos de oxígeno en la superficie del ZnO, bajo la influencia de los cambios de temperatura.

A pesar que la respuesta espectral del ZnO tiene mayor sensibilidad en la región UVA, me dispuse a colocar esta placa sobre una superficie expuesta a la radiación solar, evidentemente en el rango de luz visible (Vis) y obtuve una fotocorriente generada al incidir esta fuente de radiación sobre la película delgada de ZnO. El oxígeno juega un papel dominante en los mecanismos de conducción eléctrica y la velocidad de respuesta fotovoltaica. En la imagen anterior se ve en el multímetro una lectura de 44,3 KΩ en sombra y 37,5 KΩ expuesta a la iluminación solar, tal como se ha explicado anteriormente es el comportamiento de un material fotorresistivo.

La resistencia cambia con la iluminación

Como lo mencioné anteriormente, existen varios reportes que indican que el ZnO tiene una respuesta espectral cerca de su banda prohibida y en la zona UVA, pero he notado que también en el rango del espectro de luz visible que comprende las longitudes de onda de 380 a 750 nm, también se observa que existen cambios notables en su resistencia eléctrica, disminuyendo a medida que la radiación solar incide sobre su superficie. Esto se evidencia en los siguientes videos:

Para concretar, cuando incide la luz solar sobre la película delgada del ZnO, los fotones absorbidos proporcionan la suficiente energía para superar la banda energética desde la banda de valencia hacia la banda de conducción, creándose la interacción par electrón-hueco que conlleva a una disminución de su resistencia eléctrica, cuya rapidez de cambio y magnitud dependerá de la intensidad de la fuente de radiación y de las regiones del espectro electromagnético IR infrarrojo, Vis visible o UV ultravioleta.

Sobre la superficie de un semiconductor absorbente se observan algunos cristales de color blanco correspondientes al ZnO depositado mediante el método solvotérmico. No se cubre homogéneamente la superficie del material absorbente, por lo que su respuesta fotovoltaica es deficiente y la eficiencia de conversión es relativamente baja (menor al 2%).

Aportes de esta publicación.

El uso de los semiconductores CdS o ZnO para aplicaciones fotovoltaicas son interesantes por el tiempo de respuesta de milisegundos ante los procesos de iluminación y oscuridad, ya que los mecanismos de conducción eléctrica donde la fotorresistencia contribuye positivamente en la generación de electricidad o portadores de carga mayoritarios (electrones o huecos).

Bibliografía y lecturas recomendadas:

○ Propiedades fotoluminiscentes de películas ZnO: A-SiOx obtenidas por la técnica cvd asistido por filamento caliente

○ Fotorresistencia basada en nanobarras de ZnO cultivadas sobre un sustrato de silicio tipo p
○ Efectos de Tratamientos Térmicos en la Fotoconductividad de Microhilos de ZnO
○ Fotorresistor
○ Morphology-dependent structural and optical properties of ZnO nanostructures
○ Respuesta espectral

En nuestra comunidad se promocionan y se valoran las publicaciones de alto impacto relacionados con Ciencia, Tecnología, Ingeniería y Matemáticas, dale clic a la etiqueta #stemsocial, para que te enteres de nuestro trabajo de calidad científica!