Desarrollo de un sistema de impresión de recubrimientos de dióxido de estaño (SnO2) con aplicación en celdas fotovoltaicas
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2022
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Resumen
En el presente proyecto se desarrolló un sistema de impresión que permite la fabricación de recubrimientos de dióxido de estaño con aplicación en celdas fotovoltaicas. Fue identificada la necesidad de facilitar la elaboración experimental de estos recubrimientos con el fin de utilizarlos como capa de transporte de electrones o ETL (por sus siglas en inglés) y así contribuir a la investigación que busca aumentar la eficiencia de las celdas fotovoltaicas.
Para esto, se realizó una búsqueda bibliográfica con la finalidad de establecer el método de impresión que fue desarrollado considerando criterios de este como: grados de libertad, compatibilidad R2R (Roll to Roll) desperdicio de material, entre otros y criterios del recubrimiento como: espesor y uniformidad. A partir de su análisis, se optó por la técnica blade-coating. Continuo a ello, se realizó el diseño de ingeniería del dispositivo a partir del levantamiento de requerimientos clasificados en funcionales, de restricción y de calidad, que fueron evaluados con matrices de decisión para la selección de procesos y componentes necesarios en el ensamblaje del sistema, exceptuando los requerimientos técnicos que fueron evaluados por el método QFD.
A partir de esto, se diseñó y seleccionó la propuesta de la estructura del dispositivo y se llevó a diseño detallado concretando los modelos matemáticos y cálculos junto con el CAD utilizando el software Fusión 360, obteniendo los planos técnicos para ensamblar el dispositivo e imprimir piezas tanto para el dispensador de tinta como el aplicador. Luego, se llevó a cabo el diseño del PCB, que distribuye la energía en el dispositivo, así como la programación de la tarjeta Raspberry Pi 4B para permitir al usuario controlar variables como velocidad, flujo y temperatura por medio de una interfaz gráfica.
Finalmente, se diseñó y ejecutó el plan de pruebas y la caracterización de los recubrimientos obtenidos utilizando espectroscopía UV-VIS, microscopía de fuerza atómica (AFM) y perfilometría. Se obtuvo una repetibilidad con un error menor al 10%, así como transmitancias mayores al 90%, espesores menores 5 micrómetros, el menor de 52.43 nm y el mayor de 408.72 nm y rugosidades con picos desde 2.5 nm a 125 nm. Obteniendo como parámetros óptimos una velocidad de 40 mm/s y 100 uL.
Descripción
Abstract
In this project, a printing system was developed that allows the manufacture of tin dioxide coatings with application in photovoltaic cells. It was identified the need to facilitate the experimental development of these coatings to use them as an electron transport layer or ETL (for its acronym in English) and thus contribute to research that seeks to increase the efficiency of photovoltaic cells.
For this, a bibliographic search was carried out to establish the printing method that was developed considering its criteria such as: degrees of freedom, R2R (Roll to Roll) compatibility, waste of material, among others, and coating criteria such as: thickness and uniformity. Based on its analysis, the blade-coating technique was chosen. Continuing to this, the engineering design of the device was carried out based on requirements classified as functional, restriction and quality, which were evaluated with decision matrices for the selection of processes and components necessary in the assembly of the system, except the technical requirements that were evaluated by the QFD method.
From this, the proposal for the structure of the device was designed and selected and it was carried out to a detailed design specifying the mathematical models and calculations together with the CAD using the Fusion 360 software, obtaining the technical plans to assemble the device and print parts both for the ink dispenser as well as the applicator. Then, the design of the PCB, which distributes the energy in the device, was carried out, as well as the programming of the Raspberry Pi 4B card to allow the user to control variables such as speed, flow, and temperature through a graphical interface.
Finally, the test plan and the characterization of the coatings obtained using UV-VIS spectroscopy, atomic force microscopy (AFM) and profilometry were designed and executed. A repeatability with an error of less than 10% was obtained, as well as transmittances greater than 90%, thicknesses less than 5 micrometers, the least 52.43 nm and the greatest 408.72 nm, and roughness with peaks from 2.5 nm to 125 nm. Obtaining as optimal parameters a speed of 40 mm/s and 100 uL.
Palabras clave
Blade-coating, ETL, Espesor, Dióxido de estaño
Keywords
Blade-coating, ETL, Thickness, Tin dioxide