Descripción del título
Procesos innovadores basado...
"El trabajo presentado en esta tesis ha sido desarrollado en colaboración entre la empresa Francisco Albero S.A.U. (FAE) situada en L'Hospitalet de Llobregat (Barcelona, España) y el Institut de Recerca en Energia de Catalunya (IREC) situado en Sant Adrià del Besòs (Barcelona, España) entre los años 2016 y 2021. Este trabajo se enmarca dentro de los proyectos de carácter nacional: ECOART (RTC-2014-2294-3) y europeos: NOVACOST (PCIN-2013-128-CO2-01), RECLAIM (FP7-NMP-SME-6) Y MASTERPV (PCI2018-092945). Eltema principal de la tesis es la investigación y el desarrollo de procesos de bajo coste basados en rutas químicas de impresión con el objetivo de demostrar su eficacia para abaratar costes en el proceso productivo de células fotovoltaicas de capa fina basadas en semiconductores calcogenuros, incluyendo calcopiritas (compuestos CuInSe2 y CIGS (CuInGaSe2)) y kesteritas (compuestos Cu2ZnSn(Sx,Se1-x)4). Además, en la tesis se ha abordado también el análisis del impacto de la pureza de los metales utilizados como materia prima en las tecnologías CIGS, simulando la presencia de impurezas derivadas de la utilización de In y Ga procedentes de procesos de reciclado y planteando la posible reducción de costes mediante la utilización de materias primas de menor pureza.La memoria está estructurada en 7 capítulos: El primer capítulo consta de una introducción y definición de los objetivos de la tesis, en el segundo capítulo se describe de forma detallada la metodología utilizada en el desarrollo de la tesis y los equipos y técnicas experimentales utilizados, mientras que en los capítulos 3 a 6 se aborda la descripción de los procesos desarrollados para la síntesis de las capas absorbedoras y contactos trasparentes compatibles con el desarrollo de dispositivos de grado fotovoltaico y el estudio del impacto de la presencia de diferentes tipos de impurezas en las capas absorbedoras en tecnologías CIGS. Finalmente, el capítulo 7 presenta las principales conclusiones de la tesis. Seguidamente, se procede a un breve resumen de cada capítulo de forma individual:Capítulo 1: En las diferentes secciones de este capítulo se contextualiza el trabajo desarrollado dentro de la demanda energética tanto actual como futura, y se describe cómo el modelo de ciudades inteligentes o smart cities puede llegar a ser una respuesta sostenible a dicha demanda. En el modelo de ciudad inteligente, la generación de energía mediante fuentes renovables juega un papel relevante y, dentro del amplio abanico de energías renovables, la fotovoltaica se posiciona como una de las tecnologías clave. A continuación, se revisan los fundamentos teóricos en los que se basan los dispositivos fotovoltaicos, y se describen las diferentes generaciones de tecnologías fotovoltaicas analizando las ventajas y limitaciones potenciales de las diferentes tecnologías. Derivado del análisis aplicado, se identifica el potencial de los dispositivos de segunda generación basados en tecnologías de capa fina de calcogenuros (calcopirita y kesterita) para el desarrollo de dispositivos "customizados" para nuevas aplicaciones de integración fotovoltaica avanzada. En este sentido, se plantea el interés en el desarrollo de rutas químicas de bajo coste y alta escalabilidad resultantes de los procesos de impresión para obtener una reducción relevante en los costes de producción de los dispositivos, y se describen los principios fundamentales de las tecnologías de impresión seleccionadas en el trabajo: serigrafía e inkjet.Por último, se especifican los objetivos de la tesis.Capítulo 2: En este capítulo se describe la metodología empleada para la fabricación de los prototipos de células solares que han sido producidos durante el desarrollo de la tesis. Esto incluye la descripción de las diferentes capas funcionales que han sido integradas en la arquitectura de los dispositivos en función de la tecnología utilizada, explicando así las diferencias entre los diferentes dispositivos desarrollados. El capítulo incluye también una descripción de los equipos utilizados para el desarrollo de los diferentes procesos analizados en la tesis y para la caracterización de las diferentes capas desarrolladas y de los dispositivos fotovoltaicos.Capítulo 3: En este capítulo se explora una ruta química para la síntesis de capas absorbedoras de CuInSe2 de grado fotovoltaico a partir de la impresión por serigrafía de tintas basadas en nanopartículas de CuO e In2O3, evitando la utilización de compuestos altamente tóxicos como el H2Se y gases explosivos como el H2. En el capítulo se demuestra cómo mediante la utilización de mezclas Ar/H2 con baja concentración de H2 es posible reducir las nanopartículas de óxido a su forma metálica, acondicionando el material precursor para su posterior selenización. Este proceso térmico reactivo parece ser el paso crítico para obtener una calidad cristalina aceptable de las capas de CuInSe2. La optimización de la ruta térmica propuesta basada en gases menos tóxicos, más seguros y más respetuosos con el medio ambiente ha permitido la demostración de dispositivos de grado fotovoltaico, obteniendo una célula solar de 2,4% de eficiencia. De la misma manera, se han identificado los factores claves que limitan en este momento la eficiencia de las células, que incluyen la presencia de las fases secundarias residuales asociadas a compuestos de In-O e In-Se y la existencia de efectos de sobre-selenizacion del contacto posterior de Mo durante la recristalización de las capas.Capítulo 4: En este capítulo se describe el análisis que se ha desarrollado sobre el impacto de la presencia de impurezas químicas en las capas CIGS absorbedoras –que corresponden a impurezas típicas presentes en In y Ga procedentes de procesos de reciclado industrial- sobre las características de las células solares. Este estudio persigue el objetivo de demostrar la viabilidad de la utilización de materias primas de menor pureza para la fabricación de los dispositivos, con el objetivo de reducir los costes de producción, y plantear la posible re-utilización como materia prima de metales críticos por su escasez en la corteza terrestre (In, Ga) procedentes de procesos industriales de reciclado.Para ello se han caracterizado las capas funcionales obtenidas introduciendo de forma controlada diferentes concentraciones de las impurezas y se ha analizado su impacto sobre las propiedades opto-electrónicas de las células solares de calcopirita fabricadas. Cabe destacar que el presente trabajo, se ha realizado dentro del marco del proyecto RECLAIM (FP7-NMP-SME-6) donde el consorcio estaba compuesto por empresas de reciclado que han proporcionado información sobre procesos industriales de reciclado para la recuperación del In y el Ga. Esto ha permitido centrar el estudio a las impurezas detectadas en estos procesos: Al, Zn, Ge, Fe, V y Sb.Los resultados de este análisis indican cómo únicamente en el caso del Fe se observa un comportamiento claramente perjudicial sobre la eficiencia de los dispositivos, mientras que en los otros casos el impacto sobre las características optoelectrónicas de las células solares es muy reducido, observando en algunos casos una mejora de los dispositivos.En este trabajo, se ha aplicado la metodología de análisis basada en la utilización de la espectroscopia Raman que ha sido desarrollada para la caracterización avanzada de la región superficial de las capas absorbedoras
El desarrollo de esta metodología ha dado lugar a la siguiente publicación:Maxim Guc, Eduard Bailo, Robert Fonoll-Rubio, Fabien Atlan, Marcel Placidi, Philip Jackson, Dimitrios Hariskos, Xavier Alcobe, Paul Pistor, Ignacio Becerril-Romero, Alejandro Perez-Rodriguez, Francisco Ramos, Victor Izquierdo-Roca. Evaluation of defect formation in chalcopyrite compounds under Cu-poor conditions by advanced structural and vibrationalanalyses.ActaMaterialia223(2022) 117507.doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117507.Capítulo 5: En este capítulo se describe la adaptación a sustratos alternativos al vidrio de los procesos de impresión de disoluciones de sales precursoras por inkjet para la síntesis de capas absorbedores de Cu2ZnSn(Sx,Se1-x)4 (Kesterita) desarrollados en la siguiente publicación:M. Colina, E. Bailo, B. Medina-Rodríguez, R. Kondrotas, Y. Sanchez-González, D. Sylla, M. Placidi, M. Blanes, F. Ramos , A. Cirera , A. Pérez Rodríguez, E. Saucedo. Optimization of ink-jet printed precursors for Cu2ZnSn(S,Se)4 solar cells. Journal of Alloys and Compounds 735 (2018) 2462-2470. doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.12.035.Los sustratos estudiados han incluido sustratos cerámicos para la integración de los módulos fotovoltaicos en elementos arquitectónicos, y sustratos flexibles de acero de bajo peso para la integración de los módulos fotovoltaicos en elementos que requieren un peso reducido del módulo o en superficies no planas. Dichos sustratos son de alto interés para aplicaciones de integración avanzada de la fotovoltaica que incluyen sectores emergentes como son la fotovoltaica integrada en edificios (BIPV: Building Integrated PV), vehículos (VIPV: Vehicle Integrated PV) y diferentes tipos de productos (PIPV: Product Integrated PV).En el capítulo se describe cómo la optimización de los procesos ha permitido demostrar la viabilidad de las tecnologías de kesteritas basadas en procesos de impresión inkjet de las disoluciones de sales precursoras para la síntesis de capas absorbedoras de grado fotovoltaico sobre los diferentes tipos de sustratos alternativos, obteniendo una eficiencia de conversión fotovoltaica que corresponde al 60% de la eficiencia máxima y 75% de la eficiencia media obtenida en los dispositivos fabricados sobre los sustratos SLG de referencia.Capítulo 6: Este capítulo describe el desarrollo y demostración de procesos innovadores de bajo coste para soluciones semitransparentes (ST) en tecnología CIGS. Esto implica el reemplazo del contacto posterior de Mo, depositado mediante técnicas de alto vacío en la arquitectura tradicional del dispositivo CIGS, por un contacto posterior basado en ITO como material TCO (óxido conductor transparente) utilizando procesos químicos de depósito que tienen un mayor potencial de reducción de costes que los procesos de sputtering. Para ello, se estudia y comparan dos técnicas de impresión con capacidad de deposición con el diseño deseado (pattern) con alta escalabilidad como es el caso de la serigrafía e inkjet. La comparativa incluye el estudio, optimización y desarrollo de tintas basadas en nanopartículas (NPs) de ITO, los procesos de impresión y los tratamientos térmicos posteriores.Los resultados obtenidos en este capítulo indican que el uso de la serigrafía no es aconsejable por el alto espesor necesario y la alta probabilidad de obtener agregados originados en el proceso de preparación de la tinta. En contraste con estos resultados, la utilización de la tecnología inkjet se ha demostrado como adecuada para la fabricación de contactos de ITO con valores de transmitancia y resistencia cuadro similares a los obtenidos por deposición mediante sputtering.Por último, se ha demostrado la compatibilidad de estos procesos con las tecnologías CIGS fotovoltaicas, realizando una primera prueba de concepto de célula solar CIGS integrando la capa depositada por inkjet como contacto posterior en la arquitectura del dispositivo. Los dispositivos obtenidos presentan unas prestaciones comparables a las de células solares de referencia fabricadas con contactos estándar de Mo, lo que ha permitido demostrar la compatibilidad de estos procesos con los procesos de fabricación de células solares CIGS de alta eficiencia.Con los resultados obtenidos en este capítulo, se está preparando la redacción de un artículo." -- TDX
Monografía
monografia Rebiun36362132 https://catalogo.rebiun.org/rebiun/record/Rebiun36362132 cr#||||||||||| 220628s2022 spc||||fom||||0|| 0 spa|c CBUC 991012946087006708 ES-BaCBU cat rda ES-BaCBU ES-BaUB Bailo Bobi, Eduard autor Procesos innovadores basados en rutas químicas para tecnologías fotovoltaicas de capa fina de bajo coste y alta eficiencia Unrestricted online access star [Barcelona] Universitat de Barcelona 2022 [Barcelona] [Barcelona] Universitat de Barcelona 1 recurs en línia (219 pàgines) 1 recurs en línia (219 pàgines) Text txt rdacontent informàtic c rdamedia recurs en línia cr rdacarrier Programa de Doctorat en Nanociències / Tesi realitzada a l'Institut de Recerca en Energia de Catalunya (IREC) i Francisco Albero S.A.U (FAE) Tesi Doctorat Universitat de Barcelona. Facultat de Física 2022 "El trabajo presentado en esta tesis ha sido desarrollado en colaboración entre la empresa Francisco Albero S.A.U. (FAE) situada en L'Hospitalet de Llobregat (Barcelona, España) y el Institut de Recerca en Energia de Catalunya (IREC) situado en Sant Adrià del Besòs (Barcelona, España) entre los años 2016 y 2021. Este trabajo se enmarca dentro de los proyectos de carácter nacional: ECOART (RTC-2014-2294-3) y europeos: NOVACOST (PCIN-2013-128-CO2-01), RECLAIM (FP7-NMP-SME-6) Y MASTERPV (PCI2018-092945). Eltema principal de la tesis es la investigación y el desarrollo de procesos de bajo coste basados en rutas químicas de impresión con el objetivo de demostrar su eficacia para abaratar costes en el proceso productivo de células fotovoltaicas de capa fina basadas en semiconductores calcogenuros, incluyendo calcopiritas (compuestos CuInSe2 y CIGS (CuInGaSe2)) y kesteritas (compuestos Cu2ZnSn(Sx,Se1-x)4). Además, en la tesis se ha abordado también el análisis del impacto de la pureza de los metales utilizados como materia prima en las tecnologías CIGS, simulando la presencia de impurezas derivadas de la utilización de In y Ga procedentes de procesos de reciclado y planteando la posible reducción de costes mediante la utilización de materias primas de menor pureza.La memoria está estructurada en 7 capítulos: El primer capítulo consta de una introducción y definición de los objetivos de la tesis, en el segundo capítulo se describe de forma detallada la metodología utilizada en el desarrollo de la tesis y los equipos y técnicas experimentales utilizados, mientras que en los capítulos 3 a 6 se aborda la descripción de los procesos desarrollados para la síntesis de las capas absorbedoras y contactos trasparentes compatibles con el desarrollo de dispositivos de grado fotovoltaico y el estudio del impacto de la presencia de diferentes tipos de impurezas en las capas absorbedoras en tecnologías CIGS. Finalmente, el capítulo 7 presenta las principales conclusiones de la tesis. Seguidamente, se procede a un breve resumen de cada capítulo de forma individual:Capítulo 1: En las diferentes secciones de este capítulo se contextualiza el trabajo desarrollado dentro de la demanda energética tanto actual como futura, y se describe cómo el modelo de ciudades inteligentes o smart cities puede llegar a ser una respuesta sostenible a dicha demanda. En el modelo de ciudad inteligente, la generación de energía mediante fuentes renovables juega un papel relevante y, dentro del amplio abanico de energías renovables, la fotovoltaica se posiciona como una de las tecnologías clave. A continuación, se revisan los fundamentos teóricos en los que se basan los dispositivos fotovoltaicos, y se describen las diferentes generaciones de tecnologías fotovoltaicas analizando las ventajas y limitaciones potenciales de las diferentes tecnologías. Derivado del análisis aplicado, se identifica el potencial de los dispositivos de segunda generación basados en tecnologías de capa fina de calcogenuros (calcopirita y kesterita) para el desarrollo de dispositivos "customizados" para nuevas aplicaciones de integración fotovoltaica avanzada. En este sentido, se plantea el interés en el desarrollo de rutas químicas de bajo coste y alta escalabilidad resultantes de los procesos de impresión para obtener una reducción relevante en los costes de producción de los dispositivos, y se describen los principios fundamentales de las tecnologías de impresión seleccionadas en el trabajo: serigrafía e inkjet.Por último, se especifican los objetivos de la tesis.Capítulo 2: En este capítulo se describe la metodología empleada para la fabricación de los prototipos de células solares que han sido producidos durante el desarrollo de la tesis. Esto incluye la descripción de las diferentes capas funcionales que han sido integradas en la arquitectura de los dispositivos en función de la tecnología utilizada, explicando así las diferencias entre los diferentes dispositivos desarrollados. El capítulo incluye también una descripción de los equipos utilizados para el desarrollo de los diferentes procesos analizados en la tesis y para la caracterización de las diferentes capas desarrolladas y de los dispositivos fotovoltaicos.Capítulo 3: En este capítulo se explora una ruta química para la síntesis de capas absorbedoras de CuInSe2 de grado fotovoltaico a partir de la impresión por serigrafía de tintas basadas en nanopartículas de CuO e In2O3, evitando la utilización de compuestos altamente tóxicos como el H2Se y gases explosivos como el H2. En el capítulo se demuestra cómo mediante la utilización de mezclas Ar/H2 con baja concentración de H2 es posible reducir las nanopartículas de óxido a su forma metálica, acondicionando el material precursor para su posterior selenización. Este proceso térmico reactivo parece ser el paso crítico para obtener una calidad cristalina aceptable de las capas de CuInSe2. La optimización de la ruta térmica propuesta basada en gases menos tóxicos, más seguros y más respetuosos con el medio ambiente ha permitido la demostración de dispositivos de grado fotovoltaico, obteniendo una célula solar de 2,4% de eficiencia. De la misma manera, se han identificado los factores claves que limitan en este momento la eficiencia de las células, que incluyen la presencia de las fases secundarias residuales asociadas a compuestos de In-O e In-Se y la existencia de efectos de sobre-selenizacion del contacto posterior de Mo durante la recristalización de las capas.Capítulo 4: En este capítulo se describe el análisis que se ha desarrollado sobre el impacto de la presencia de impurezas químicas en las capas CIGS absorbedoras –que corresponden a impurezas típicas presentes en In y Ga procedentes de procesos de reciclado industrial- sobre las características de las células solares. Este estudio persigue el objetivo de demostrar la viabilidad de la utilización de materias primas de menor pureza para la fabricación de los dispositivos, con el objetivo de reducir los costes de producción, y plantear la posible re-utilización como materia prima de metales críticos por su escasez en la corteza terrestre (In, Ga) procedentes de procesos industriales de reciclado.Para ello se han caracterizado las capas funcionales obtenidas introduciendo de forma controlada diferentes concentraciones de las impurezas y se ha analizado su impacto sobre las propiedades opto-electrónicas de las células solares de calcopirita fabricadas. Cabe destacar que el presente trabajo, se ha realizado dentro del marco del proyecto RECLAIM (FP7-NMP-SME-6) donde el consorcio estaba compuesto por empresas de reciclado que han proporcionado información sobre procesos industriales de reciclado para la recuperación del In y el Ga. Esto ha permitido centrar el estudio a las impurezas detectadas en estos procesos: Al, Zn, Ge, Fe, V y Sb.Los resultados de este análisis indican cómo únicamente en el caso del Fe se observa un comportamiento claramente perjudicial sobre la eficiencia de los dispositivos, mientras que en los otros casos el impacto sobre las características optoelectrónicas de las células solares es muy reducido, observando en algunos casos una mejora de los dispositivos.En este trabajo, se ha aplicado la metodología de análisis basada en la utilización de la espectroscopia Raman que ha sido desarrollada para la caracterización avanzada de la región superficial de las capas absorbedoras El desarrollo de esta metodología ha dado lugar a la siguiente publicación:Maxim Guc, Eduard Bailo, Robert Fonoll-Rubio, Fabien Atlan, Marcel Placidi, Philip Jackson, Dimitrios Hariskos, Xavier Alcobe, Paul Pistor, Ignacio Becerril-Romero, Alejandro Perez-Rodriguez, Francisco Ramos, Victor Izquierdo-Roca. Evaluation of defect formation in chalcopyrite compounds under Cu-poor conditions by advanced structural and vibrationalanalyses.ActaMaterialia223(2022) 117507.doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117507.Capítulo 5: En este capítulo se describe la adaptación a sustratos alternativos al vidrio de los procesos de impresión de disoluciones de sales precursoras por inkjet para la síntesis de capas absorbedores de Cu2ZnSn(Sx,Se1-x)4 (Kesterita) desarrollados en la siguiente publicación:M. Colina, E. Bailo, B. Medina-Rodríguez, R. Kondrotas, Y. Sanchez-González, D. Sylla, M. Placidi, M. Blanes, F. Ramos , A. Cirera , A. Pérez Rodríguez, E. Saucedo. Optimization of ink-jet printed precursors for Cu2ZnSn(S,Se)4 solar cells. Journal of Alloys and Compounds 735 (2018) 2462-2470. doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.12.035.Los sustratos estudiados han incluido sustratos cerámicos para la integración de los módulos fotovoltaicos en elementos arquitectónicos, y sustratos flexibles de acero de bajo peso para la integración de los módulos fotovoltaicos en elementos que requieren un peso reducido del módulo o en superficies no planas. Dichos sustratos son de alto interés para aplicaciones de integración avanzada de la fotovoltaica que incluyen sectores emergentes como son la fotovoltaica integrada en edificios (BIPV: Building Integrated PV), vehículos (VIPV: Vehicle Integrated PV) y diferentes tipos de productos (PIPV: Product Integrated PV).En el capítulo se describe cómo la optimización de los procesos ha permitido demostrar la viabilidad de las tecnologías de kesteritas basadas en procesos de impresión inkjet de las disoluciones de sales precursoras para la síntesis de capas absorbedoras de grado fotovoltaico sobre los diferentes tipos de sustratos alternativos, obteniendo una eficiencia de conversión fotovoltaica que corresponde al 60% de la eficiencia máxima y 75% de la eficiencia media obtenida en los dispositivos fabricados sobre los sustratos SLG de referencia.Capítulo 6: Este capítulo describe el desarrollo y demostración de procesos innovadores de bajo coste para soluciones semitransparentes (ST) en tecnología CIGS. Esto implica el reemplazo del contacto posterior de Mo, depositado mediante técnicas de alto vacío en la arquitectura tradicional del dispositivo CIGS, por un contacto posterior basado en ITO como material TCO (óxido conductor transparente) utilizando procesos químicos de depósito que tienen un mayor potencial de reducción de costes que los procesos de sputtering. Para ello, se estudia y comparan dos técnicas de impresión con capacidad de deposición con el diseño deseado (pattern) con alta escalabilidad como es el caso de la serigrafía e inkjet. La comparativa incluye el estudio, optimización y desarrollo de tintas basadas en nanopartículas (NPs) de ITO, los procesos de impresión y los tratamientos térmicos posteriores.Los resultados obtenidos en este capítulo indican que el uso de la serigrafía no es aconsejable por el alto espesor necesario y la alta probabilidad de obtener agregados originados en el proceso de preparación de la tinta. En contraste con estos resultados, la utilización de la tecnología inkjet se ha demostrado como adecuada para la fabricación de contactos de ITO con valores de transmitancia y resistencia cuadro similares a los obtenidos por deposición mediante sputtering.Por último, se ha demostrado la compatibilidad de estos procesos con las tecnologías CIGS fotovoltaicas, realizando una primera prueba de concepto de célula solar CIGS integrando la capa depositada por inkjet como contacto posterior en la arquitectura del dispositivo. Los dispositivos obtenidos presentan unas prestaciones comparables a las de células solares de referencia fabricadas con contactos estándar de Mo, lo que ha permitido demostrar la compatibilidad de estos procesos con los procesos de fabricación de células solares CIGS de alta eficiencia.Con los resultados obtenidos en este capítulo, se está preparando la redacción de un artículo." -- TDX Cèllules fotovoltaiques thub Pérez Rodríguez, Alejandro supervisor acadèmic