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.
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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