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https://hdl.handle.net/1822/75639
Título: | Novel printable photovoltaic systems based on Cu(In,Ga)Se2 chalcopyrite |
Outro(s) título(s): | Novos sistemas fotovoltaicos impressos com base na calcopirita Cu(In,Ga)Se2 |
Autor(es): | Gonçalves, Bruna Ferreira |
Orientador(es): | Lanceros-Méndez, S. Kolen'ko, Yury Botelho, Gabriela |
Palavras-chave: | CIGSe Impressão funcional Serigrafia Sistemas fotovoltaicos Sustentabilidade Functional printing Photovoltaic systems Screen printing Sustainability |
Data: | 7-Out-2021 |
Resumo(s): | Nas últimas décadas temos assistido a uma intensa procura de fontes de energia eficientes, limpas e renováveis para responder ao crescente consumo energético e aos objetivos de descarbonização. No
âmbito da energia solar, as células solares de filme fino inorgânico com base em CuInxGa1−xSe2
(CIGSe), merecem especial atenção. No entanto, os sistemas fotovoltaicos (FV) com maior eficiência
utilizam processos de deposição a vácuo que requerem equipamentos sofisticados e elevadas
quantidades de energia. A deposição sem vácuo, por outro lado, permite a produção industrial de
dispositivos FVs de baixo custo, leves e flexíveis, e com um menor impacto ambiental. Assim, este
trabalho utiliza processos de produção de sistemas FV CIGSe através da impressão de filmes finos de
CIGSe por serigrafia, utilizando tintas contendo precursores/nanopartículas (NPs) bem dispersos. Para
este fim, duas metodologias foram utilizadas: uma convencional e uma alternativa ecológica à anterior,
com base na utilização de água como solvente. Em relação à origem dos precursores, duas rotas foram
utilizadas: filmes impressos contendo óxidos comerciais de Cu, In e Ga, seguidos de selenização para
converter os percursores em CIGSe e filmes contendo NPs de CIGSe que não requerem selenização.
Notavelmente, a síntese conduzida com metodologias convencionais originou uma grande
quantidade de NPs CIGSe de fase pura de wurzita com estrutura hexagonal. A resultante camada
fotoabsorvente impressa exibiu uma espessura homogénea de 4,5 μm com fase calcopirita. Em relação
aos percursores comerciais, foi produzida uma célula FV CIGSe através da impressão de tintas contento
óxidos de Cu, In e Ga dispersos em terpineol, seguida de selenização. A deposição das camadas
superiores de CdS, através de banho químico, e i-ZnO/ZnO:Al através de pulverização catódica, resultou
num dispositivo FV com 6,1% de eficiência. Por outro lado, o uso de metodologias ecológicas resultou na
primeira síntese aquosa de grande quantidade de NPs CIGSe de fase pura de calcopirita com estrutura
tetragonal. Além disso, a formulação de tintas aquosas com óxidos bem dispersos e posterior selenização
foi realizada para produzir células FV mais sustentáveis. Seguindo os processos acima descritos foi
produzida uma célula FV CIGSe com recorde de eficiência de 7.9%. Finalmente, a deposição por spray
de tintas condutoras aquosas resultou numa célula FV CIGSe totalmente produzida sem vácuo com
eficiência de 2,2%, um recorde para tais sistemas sustentáveis.
Assim, o presente trabalho fornece alternativas sustentáveis para a fabricação de células FV CIGSe
com base em deposições sem vácuo que são compatíveis com a produção industrial de sistemas FV,
permitindo assim uma produção com maior relação custo-eficiência. Over the last decades, strong efforts are being carried out looking for efficient, clean and renewable energy sources to fulfill the ever-growing energy consumption and meet the decarbonization goals. With respect to solar energy, inorganic thin film solar cells based on CuInxGa1−xSe2 (CIGSe) deserve special attention. However, most efficient CIGSe photovoltaic (PV) systems reported to date comprise complex equipment and high energy-demanding vacuum deposition processes. Non-vacuum deposition processes, on the other hand, allows for a low cost industrial roll-to-roll production of light weight and flexible CIGSe PVs with low environmental impact. Thus, the herein presented work addresses the processing of CIGSe PV systems by screen printing photoabsorber CIGSe thin films, using inks comprising well-dispersed CIGSe precursors/nanoparticles (NPs). To this end, two different methodologies were used: a conventional one and an environmentally friendly alternative, based on the use of water as solvent. Regarding the nature of the inks’ precursors, two distinct routes were followed: Cu, In and Ga commercial oxides printed films followed by selenization to convert the precursors into the desired CIGSe phase; and films with synthesized CIGSe NPs, which does not requires a selenization treatment. Notably, the synthesis conducted with conventional methodologies gave rise to large amount of phase-pure CIGSe NPs with hexagonal wurtzite structure. Then, the resultant screen-printed photoabsorber displayed a homogeneous thickness of ≈4.5 μm with chalcopyrite phase. Concerning the commercial precursors, a CIGSe PV cell was produced by screen printing Cu, In and Ga oxides ink in terpineol solvent followed by selenization. The consecutive chemical bath deposition of CdS buffer layer and sputtering of top i-ZnO and ZnO:Al layers, resulted in a PV device with 6.1% of efficiency. The use of environmentally friendly methodologies, on the other hand, delivered for the first time a large amount of aqueously synthesized phase-pure CIGSe NPs with tetragonal chalcopyrite structure. Moreover, the formulation of water-based inks with well-dispersed oxides and further selenization was conducted to produce more sustainable PV cells. Following the same processes to complete the device, a recordbreaking CIGSe PV cell with 7.9% of efficiency was produced. Finally, the replacement of sputtering of top conductive layers by spray coating of water-based conductive inks resulted in a sustainable all-nonvacuum processed CIGSe PV cell with 2.2% of efficiency, a record breaking for such sustainable systems. Thus, the present work provides sustainable alternatives to vacuum-based fabrication of CIGSe PV cells which are compatible with roll-to-roll production of PV systems, allowing for more cost-efficient production in future. |
Tipo: | Tese de doutoramento |
Descrição: | Programa doutoral em Engenharia de Materiais |
URI: | https://hdl.handle.net/1822/75639 |
Acesso: | Acesso aberto |
Aparece nas coleções: | DEM - Teses de Doutoramento / PhD Thesis |
Ficheiros deste registo:
Ficheiro | Descrição | Tamanho | Formato | |
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Bruna Ferreira Goncalves.pdf | Tese de Doutoramento | 8,42 MB | Adobe PDF | Ver/Abrir |
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