Estudio de las propiedades mecánicas a escala micrométrica de materiales para aplicaciones en energía

Abstract

En els darrers anys, les energies renovables han anat adquirint una major rellevància en la nostra societat. Diferents tecnologies de generació d'energia a partir de fonts renovables, com ara les cèl·lules solars i les piles de combustible tipus SOFC (Solid Oxide Fuel Cell), han estat objecte de recerca per a maximitzar l'eficiència de conversió PCE (Power Conversion Efficiency) Optimitzar les seves propietats mecàniques i electroquímiques, a més de minimitzar els seus costos de fabricació. D'aquesta manera, en el present treball s'han analitzat les propietats mecàniques del seleniur d'antimoni (𝑆�𝑏�2𝑆�𝑒�3) i l'iodur de seleni antimoniós (𝑆�𝑏�𝑆�𝑒�𝐼�), materials utilitzats en la fabricació de cèl·lules solars, així com una mostra comercial d'òxid de níquel-circona estabilitzada amb itria (𝑁�𝑖�𝑂�- 𝑌�𝑆�𝑍�) i quatre formulacions amb diferents percentatges en pes (50-66 wt%) dels seus components. La caracterització mecànica es va realitzar mitjançant la micro i nanoindentació, mentre que la caracterització morfològica i cristal·logràfica es va dur a terme mitjançant microscòpia electrònica de rastreig (SEM) i difracció de raigs X (XRD). Es va trobar que la mostra de 𝑆�𝑏�2𝑆�𝑒�3 té propietats mecàniques més altes que les del silici cristal·lí i silici amorf, els seus anàlegs de primera i segona generació. En les mostres de 𝑁�𝑖�𝑂�-𝑌�𝑆�𝑍� es va observar com l'increment de contingut en pes d'òxid de níquel provoca una reducció de les propietats mecàniques, excepte en el cas de la mostra amb un 66 wt% de 𝑁�𝑖�𝑂�. D'altra banda, les propietats mecàniques de la mostra comercial fan deduir que està composta per entre un 60 i un 66 wt% de NiO.

En años recientes, las energías renovables han ido adquiriendo una mayor relevancia en nuestra sociedad. Diferentes tecnologías de generación de energía a partir de fuentes renovables, como lo son las celdas solares y las pilas de combustible tipo SOFC (Solid Oxide Fuel Cell), han sido objeto de estudio en búsqueda de maximizar la eficiencia de conversión PCE (Power Conversion Efficiency), optimizar sus propiedades mecánicas y electroquímicas, además de minimizar sus costos de fabricación. De esta forma, en el presente trabajo se analizaron las propiedades mecánicas del seleniuro de antimonio (𝑆�𝑏�2𝑆�𝑒�3) y el yoduro de selenio antimonioso (𝑆�𝑏�𝑆�𝑒�𝐼�), materiales usados en la fabricación de celdas solares, así como una muestra comercial de óxido de níquel-circona estabilizada con itria (𝑁�𝑖�𝑂�-𝑌�𝑆�𝑍�) y cuatro formulaciones con distinto porcentaje en peso (50-66 wt%) de sus constituyentes. La caracterización mecánica se realizó por medio de la micro y nanoindentación, mientras que la caracterización morfológica y cristalográfica se llevaron a cabo vía microscopía electrónica de barrido (SEM) y difracción de rayos X (XRD). Se encontró que la muestra de 𝑆�𝑏�2𝑆�𝑒�3 cuenta con propiedades mecánicas más altas que las del silicio cristalino y silicio amorfo, sus análogos de primera y segunda generación. En las muestras de 𝑁�𝑖�𝑂�-𝑌�𝑆�𝑍� se observó como el aumento de contenido en peso de óxido de níquel provoca que las propiedades mecánicas se vean reducidas, a excepción de la muestra con 66 wt% de 𝑁�𝑖�𝑂�. Por su parte, las propiedades mecánicas de la muestra comercial hacen deducir que está compuesta por entre 60 y 66 wt% de 𝑁�𝑖�𝑂�.

In recent years, renewable energies have gained increasing significance in our society. Various renewable energy generation technologies, such as solar cells and Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs), have been the subject of study aiming to maximize Power Conversion Efficiency (PCE), optimize their mechanical and electrochemical properties, while also minimizing their manufacturing costs. Therefore, this study analyzed antimony selenide (𝑆�𝑏�2𝑆�𝑒�3) and antimony selenium iodide (𝑆�𝑏�𝑆�𝑒�𝐼�), which are materials used in the production of solar cells, as well as a commercial sample of nickel- yttria-stabilized zirconia (𝑁�𝑖�𝑂�-𝑌�𝑆�𝑍�) and four formulations with different weight percentages (50- 66%) of their constituents. Mechanical characterization was conducted through micro and nanoindentation, while morphological and crystallographic characterization was performed via Scanning Electron Microscopy (SEM) and X-ray Diffraction (XRD). It was found that the 𝑆�𝑏�2𝑆�𝑒�3 sample exhibited higher mechanical properties than crystalline silicon and amorphous silicon, their analogous in first- and second-generation solar cells. The mechanical properties of 𝑁�𝑖�𝑂�-𝑌�𝑆�𝑍� decreased as the weight percentage of 𝑁�𝑖�𝑂� increased, except for the sample with 66 𝑁�𝑖�𝑂� wt%. As for the commercial sample, due to its mechanical properties, it can be deducted that it has around 60 to 66 𝑁�𝑖�𝑂� wt%.