Automatització del procediment de deposició de capes primes de materials per a la producción d’hidrogen mitjançant fotohidròlisi i per a la fabricació de cèl•lules solars

Abstract

El ràpid augment de les aplicacions de materials recoberts amb capes nanomètriques ha provocat un ràpid desenvolupament en les tècniques de deposició. Entre la gran varietat de possibilitats per a realitzar capes primes, una de les tècniques que combina una bona qualitat d’acabat final amb un baix cost relatiu és la tècnica d’ esprai pirolític (spray pyrolysis en anglès). En aquesta tècnica s’atomitza una dissolució del material del qual es vol fer la deposició sobre una superfície calenta, que provoca que es produïsca l’adherència i creixement de la capa. Aquesta tècnica s’utilitza en diverses línies d’investigació en el Grup de Dispositius Fotovoltaics i Optoelectrònics de la Universitat Jaume I. La gran limitació actual és que el procés es realitza manualment, mitjançant una pistola d’aire comprimit i mostra per mostra, fet que provoca una sèrie de problemes des del punt de vista de l’eficiència. Primerament es produeix una gran pèrdua de dissolució i aire comprimit, ja que el conus de la pistola és molt més gran que la mostra; així com energia elèctrica, ja que és necessari mantenir les mostres a 450°C durant la deposició i assecat. També implica una gran despesa de temps per part de l’investigador, ja que després de realitzar cada deposició cal esperar uns minuts per tal que es produïsca la fixació de la capa. Per últim, de cara a la investigació pròpiament dita, la deposició manual no assegura que les capes siguen totalment uniformes, comparables i reproduïbles. Aquest últim fet depén de l’experiència de l’investigador en la tècnica i implica diferències en les mostres. Atès que s’espera que les investigacions en aquest camp tinguen una llarga durada i és d’esperar que hi haja en un futur noves línies d’investigació relacionades amb la tecnologia de nanocapes, es justifica el disseny d’un automatisme com el que proposa aquest treball i que haurà de complir els següents objectius: - Reducció del material (quantitat de dissolució) emprat en el procés de deposició. - Reducció de l’aire comprimit gastat en l’execució. - Reducció del consum d’energia elèctrica en el procés. - Optimització del temps de l’investigador. - Augment de la velocitat de creació de mostres. - Harmonització de la grossària de les capes depositades i augment de la repetibilitat de la tècnica. - Flexibilitat d’operació (possibilitat de variar paràmetres). La solució presentada respon a una màquina automàtica d’atomització que es basa un broquet polvoritzador que atomitza dissolució en forma de feix pla. Per tal que es puga aplicar sobre mostres grans, el broquet va instal·lat en un pont mòbil de moviment rectilini accionat per motor, que recorre les platines on es depositarà la dissolució. Un sistema pneumàtic controlat electrònicament alimenta el broquet d’aire a pressió i dissolució per al correcte funcionament. L’estructura es realitza mitjançant peces amb flexibilitat constructiva, per tal la seua geometria puga ser adaptada si canvien les condicions d’operació. El control se soluciona mitjançant l’electrònica basada en Arduino combinada amb LabView, de forma que l’investigador puga canviar fàcilment els paràmetres d’operació.

El rápido aumento de las aplicaciones de materiales recubiertos con capas nanométricas ha provocado un rápido desarrollo en las técnicas de deposición. Entre la gran variedad de posibilidades para realizar capas delgadas, una de las técnicas que combina una buena calidad de acabado final con un bajo coste relativo es la técnica de espray pirolítico (spray pyrolysis en inglés). En esta técnica se atomiza una disolución del material del que se quiere hacer la deposición sobre una superficie caliente, que provoca que se produzca la adherencia y crecimiento de la capa. Esta técnica se utiliza en varias líneas de investigación en el Grupo de Dispositivos Fotovoltaicos y Optoelectrónicos de la Universidad Jaume I. La gran limitación actual es que el proceso se realiza manualmente, mediante una pistola de aire comprimido y muestra por muestra, lo que provoca una serie de problemas desde el punto de vista de la eficiencia. Primeramente se produce una gran pérdida de disolución y aire comprimido, ya que el cono de la pistola es mucho mayor que la muestra; así como energía eléctrica, ya que es necesario mantener las muestras a 450°C durante la deposición y secado. También implica un gran gasto de tiempo por parte del investigador, ya que después realizar cada deposición hay que esperar unos minutos para que se produzca la fijación de la capa. Por último, de cara a la investigación propiamente dicha, la deposición manual no asegura que las capas sean totalmente uniformes, comparables y reproducibles. Este último hecho depende de la experiencia del investigador en la técnica e implica diferencias en las muestras. Dado que se espera que las investigaciones en este campo tengan una larga duración y es de esperar que haya en un futuro nuevas líneas de investigación relacionadas con la tecnología de nanocapas, se justifica el diseño de un automatismo como el que propone este trabajo y que deberá cumplir los siguientes objetivos: - Reducción del material (cantidad de disolución) empleado en el proceso de deposición. - Reducción del aire comprimido gastado en la ejecución. - Reducción del consumo de energía eléctrica en el proceso. - Optimización del tiempo del investigador. - Aumento de la velocidad de creación de muestras. - Armonización del espesor de las capas depositadas y aumento de la repetitividad de la técnica. - Flexibilidad de operación (posibilidad de variar parámetros). La solución presentada responde a una máquina automática de atomización que se basa una boquilla pulverizadora que atomiza disolución en forma de haz plano. Para que se pueda aplicar sobre muestras grandes, la boquilla se instala en un puente móvil de movimiento rectilíneo accionado por motor, que recorre las pletinas donde se depositará la disolución. Un sistema neumático controlado electrónicamente alimenta la boquilla de aire a presión y disolución para el correcto funcionamiento. La estructura se realiza mediante piezas con flexibilidad constructiva, para su geometría pueda ser adaptada si cambian las condiciones de operación. El control se soluciona mediante la electrónica basada en Arduino combinada con LabView, de forma que el investigador pueda cambiar fácilmente los parámetros de operación.