Desenvolvimento de superfícies para sistemas fotovoltaicos de elevado rendimento

Abstract

Este estudo incidiu sobre o desenvolvimento de superfícies para a produção de um sistema fotovoltaico de elevado rendimento. Por um lado, estas superfícies foram otimizadas de modo a maximizar a sua área específica. Por outro lado, devido às suas excelentes propriedades foram desenvolvidos filmes finos à base de grafeno para revestir as superfícies com vista à sua utilização em células fotovoltaicas. Filmes bicamada de carbono e níquel, e filmes de níquel com diferentes teores em carbono, foram depositados por pulverização catódica magnetrão. Os filmes produzidos foram caraterizados com o objetivo de avaliar a sua rugosidade, espessura e tipo de morfologia, identificar as fases cristalinas presentes e confirmar a presença de grafeno através da análise por espectroscopia de Raman. Foram efetuados tratamentos térmicos para avaliar a sua possível contribuição para a formação de materiais à base de grafeno. Os filmes mais promissores foram analisados em termos de molhabilidade e condutividade. A microtopografia otimizada neste trabalho permite uma maior captação de energia solar, captação essa que é essencial para as células fotovoltaicas do sistema em desenvolvimento. Os filmes de carbono e níquel, com espessuras entre 120 e 350 nm, possuem tamanho de grão nanométrico e rugosidades superficiais médias da ordem de 1-2 nm. Após deposição, a fase Ni cúbica de faces centradas é a única fase detetada por difração de raios X. A presença de carbono amorfo é também comprovada pelos espectros de Raman. Nos filmes tratados termicamente é possível identificar picos Raman característicos do grafeno. A molhabilidade dos filmes mais promissores indica um aumento do caracter hidrofílico após tratamento térmico, o que corrobora a presença de materiais à base de grafeno.

This study focused on the development of surfaces for producing photovoltaic cells with high power conversion efficiency. On one hand, these surfaces were optimized in order to maximize its specific surface area. On the other hand, due to its excellent properties thin films based on graphene were developed to coat these surfaces aiming at their use in photovoltaic cells. Carbon and nickel bilayer films, and nickel films with different carbon content were deposited by magnetron sputtering. The films produced were characterized in order to evaluate their roughness, thickness and type of morphology, to identify the crystalline phases and to confirm the presence of graphene through Raman spectroscopy. Heat treatments were carried out to evaluate their possible contribution to the formation of graphene based materials. The most promising films were analyzed in terms of wettability and conductivity. The microtopography optimized in this work allows solar energy harvesting to be increased, which is essential for the photovoltaic system under development. The carbon and nickel films with thicknesses between 120 and 350 nm, possess nanometer grain size and average surface roughness close to 1-2 nm. After deposition, the Ni face-centered cubic phase is the only phase detected by X-ray diffraction. The presence of amorphous carbon is also confirmed by Raman spectra. In the heat treated films, Raman peaks characteristic of graphene can be identified. The wettability of the most promising films indicates an increased hydrophilic character after heat treatment, which confirms the presence of graphene based materials.