Cu2ZnSnS4 solar cells prepared with sulphurized dc-sputtered stacked metallic precursors

In the present work we report the details of the preparation and characterization results of Cu2ZnSnS4 (CZTS) based solar cells. The CZTS absorber was obtained by sulphurization of dc magnetron sputtered Zn/Sn/Cu precursor layers. The morphology, composition and structure of the absorber layer were studied by scanning electron microscopy, energy dispersive spectroscopy, X-ray diffraction and Raman scattering. The majority carrier type was identified via a hot point probe analysis. The hole density, space charge region width and band gap energy were estimated from the external quantum efficiency measurements. A MoS2 layer that formed during the sulphurization process was also identified and analyzed in this work. The solar cells had the following structure: soda lime glass/Mo/CZTS/CdS/i-ZnO/ZnO:Al/Al grid. The best solar cell showed an opencircuit voltage of 345 mV, a short-circuit current density of 4.42 mA/cm2, a fill factor of 44.29% and an efficiency of 0.68% under illumination in simulated standard test conditions: AM 1.5 and 100 mW/cm2.

Geostatistical Prediction of Ocean Outfall Plume Characteristics Based on an Autonomous Underwater Vehicle

Geostatistics has been successfully used to analyze and characterize the spatial variability of environmental properties. Besides giving estimated values at unsampled locations, it provides a measure of the accuracy of the estimate, which is a significant advantage over traditional methods used to assess pollution. In this work universal block kriging is novelty used to model and map the spatial distribution of salinity measurements gathered by an Autonomous Underwater Vehicle in a sea outfall monitoring campaign, with the aim of distinguishing the effluent plume from the receiving waters, characterizing its spatial variability in the vicinity of the discharge and estimating dilution. The results demonstrate that geostatistical methodology can provide good estimates of the dispersion of effluents that are very valuable in assessing the environmental impact and managing sea outfalls. Moreover, since accurate measurements of the plume’s dilution are rare, these studies might be very helpful in the future to validate dispersion models.

Wear resistance of TiAlSiN thin coatings

In the last decades TiAlN coatings deposited by PVD techniques have been extensively investigated but, nowadays, their potential development for tribological applications is relatively low. However, new coatings are emerging based on them, trying to improve wear behavior. TiAlSiN thin coatings are now investigated, analyzing if Si introduction increases the wear resistance of PVD films. Attending to the application, several wear test configurations has been recently used by some researchers. In this work, TiAlSiN thin coatings were produced by PVD Unbalanced Magnetron Sputtering technique and they were conveniently characterized using Scanning Electron Microscopy (SEM) provided with Energy Dispersive Spectroscopy (EDS), Atomic Force Microscopy (AFM), Electron Probe Micro-Analyzer (EPMA), Micro Hardness (MH) and Scratch Test Analysis. Properties as morphology, thickness, roughness, chemical composition and structure, hardness and film adhesion to the substrate were investigated. Concerning to wear characterization, two very different ways were chosen: micro-abrasion with ball-on-flat configuration and industrial non-standardized tests based on samples inserted in a feed channel of a selected plastic injection mould working with 30% (wt.) glass fiber reinforced polypropylene. TiAlSiN coatings with a small amount of about 5% (wt.) Si showed a similar wear behavior when compared with TiAlN reported performances, denoting that Si addition does not improve the wear performance of the TiAlN coatings in these wear test conditions.

Mechanical and tribological characterization of TiB2 thin films

Titanium Diboride (TiB2) presents high mechanical and physical properties. Some wear studies were also carried out in order to evaluate its tribological properties. One of the most popular wear tests for thin films is the ball-cratering configuration. This work was focused on the study of the tribological properties of TiB2 thin films using micro-abrasion tests and following the BS EN 1071-6: 2007 standard. Due to high hardness usually patented by these films, diamond was selected as abrasive on micro-abrasion tests. Micro-abrasion wear tests were performed under five different durations, using the same normal load, speed rotation and ball. Films were deposited by unbalanced magnetron sputtering Physical Vapour Deposition (PVD) technique using TiB2 targets. TiB2 films were characterized using different methods as Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS), Atomic Force Microscopy (AFM), X-ray Diffraction (XRD), Electron Probe Micro-Analyser (EPMA), Ultra Micro Hardness and Scratch-test Analysis, allowing to confirm that TiB2 presents adequate mechanical and physical properties. Ratio between hardness (coating and abrasive particles), wear resistance and wear coefficient were studied, showing that TiB2 films shows excellent properties for tribological applications.

TiB2 nanostructured coating for GFRP injection moulds

In the injection moulding of polypropylene reinforced with hard glass fibres, die materials are commonly subjected to severe abrasive wear. In order to improve its wear resistance, an unbalanced magnetron sputtering PVD compositional monolayered coating has been produced. The film was composed by a nanostructured TiB2 monolayer. Microstructure characterization and thickness evaluation were conducted by scanning electron microscopy (SEM). Film topography and roughness were accessed by SEM and Atomic Force Microscopy (AFM). The phase analyse was investigated by X-ray diffraction (XRD), using Cu Kalpha radiation. Scratch tests were conducted in order to study the film adhesion to the substrate. Load-Displacement curves (nanoindentation analysis) allowed measuring the film hardness and Young's modulus. A ball-cratering tribometer was used to determine the micro-abrasion laboratorial wear resistance, under different tests conditions, using SiC particles in distilled water slurry. At the end of these tests, the worn surfaces were analyzed by SEM and Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) in order to compare these results with some other coatings already tested in the same conditions. To test the practical wear resistance, 135000 injection cycles were done in a plastic injection industrial mould. Coated samples were put on the plastic feed canal, after a turbulent zone. In these tests, a 30% (wt) glass fibres reinforced polypropylene was used. Worn sample surfaces were analyzed by SEM after 45.000 and 90.000 cycles. Image analyses were made in order to evaluate the damage increases and to observe the wear mechanisms involved.

Increasing the wear resistance of molds for injection of glass fiber reinforced plastics

Abrasion by glass fibers during injection molding of fiber reinforced plastics raises new challenges to the wear performance of the molds. In the last few decades, a large number of PVD and CVD coatings have been developed with the aim of minimizing abrasion problems. In this work, two different coatings were tested in order to increase the wear resistance of the surface of a mold used for glass fiber reinforced plastics: TiAlSiN and CrN/CrCN/DLC. TiAlSiN was deposited as a graded monolayer coating while CrN/CrCN/DLC was a nanostructured coating consisting of three distinct layers. Both coatings were produced by PVD unbalanced magnetron sputtering and were characterized using scanning electron microscopy (SEM) provided with energy dispersive spectroscopy (EDS), atomic force microscopy (AFM), micro hardness (MH) and scratch test analysis. Coating morphology, thickness, roughness, chemical composition and structure, hardness and adhesion to the substrate were investigated. Wear resistance was characterized through industrial tests with coated samples and an uncoated reference sample inserted in a feed channel of a plastic injection mold working with 30 wt.% glass fiber reinforced polypropylene. Results after 45,000 injection cycles indicate that the wear resistance of the mold was increased by a factor of 25 and 58, by the TiAlSiN and CrN/CrCN/DLC coatings, respectively, over the uncoated mold steel.

Diagnóstico ambiental de duas empresas

Mestrado em Engenharia Química - Ramo Tecnologias de Protecção Ambiental

Diagnóstico de funcionamento e otimização das ETARs do concelho da Póvoa de Varzim

O tratamento das águas residuais é uma matéria de extrema importância para o município da Póvoa de Varzim, não só por uma questão de saúde pública e conservação do meio ambiente como também pela vertente turística deste concelho, que tem na sua orla costeira seis praias às quais foram atribuídas bandeiras azuis pela sua qualidade. O concelho da Póvoa de Varzim engloba doze freguesias e possui quinze estações de tratamento de águas residuais (ETARs), sendo catorze delas compactas. O seu controlo é assegurado pela divisão de saneamento básico da câmara municipal da Póvoa de Varzim. O objetivo deste trabalho foi o diagnóstico de funcionamento das ETARs do município tendo em vista a identificação dos problemas existentes e a sua resolução/otimização. De forma a poder identificar o princípio de funcionamento e a presença de anomalias nas estações de tratamento, foram realizadas várias visitas a cada uma delas ao longo do período de estágio. A recolha de amostras para análises dos diferentes parâmetros foi feita por um funcionário e estas foram enviadas para o laboratório com parceria com a Câmara Municipal. Após uma extensa recolha de informação no local e de um estudo exaustivo de toda a documentação associada a cada ETAR concluiu-se que apenas quatro delas apresentavam problemas revelantes. As ETARs do parque industrial de Laúndos e do centro histórico de Rates apresentam caudais de admissão bastante elevados devido à descarga pontual de camiões cisterna o que faz com que o tratamento não seja eficaz. Como solução sugeriu-se a construção de um tanque de equalização em ambas as ETARs, com agitador e regulador de caudal, de forma a garantir, respetivamente, a mistura e uniformização das águas residuais domésticas e industriais e que apenas será bombeado o caudal adequado para tratamento. As ETARs da Incondave e das Fontaínhas apresentam sobretudo anomalias a nível do equipamento, o que leva a um mau desempenho da instalação. Aconselhou-se o conserto dos equipamentos danificados e uma inspeção mais frequente das instalações para que mal ocorra uma avaria, esta seja reparada o mais depressa possível. O estágio na câmara municipal da Póvoa de Varzim (CMPV) teve a duração de 10 meses, entre Outubro e Julho de 2012 e foi realizado no âmbito da disciplina de dissertação/ estágio do mestrado de tecnologias de proteção ambiental no Instituto Superior de Engenharia do Porto. Este estágio foi uma mais-valia para mim na medida em que pude consolidar os conhecimentos adquiridos ao longo de todo o meu percurso académico e conhecer a realidade do mercado de trabalho.

Growth of the [110] oriented TiO2 nanorods on ITO substrates by sputtering technique for dye-sensitized solar cells

TiO2 films have been deposited on ITO substrates by dc reactive magnetron sputtering technique. It has been found that the sputtering pressure is a very important parameter for the structure of the deposited TiO2 films. When the pressure is lower than 1 Pa, the deposited has a dense structure and shows a preferred orientation along the [101] direction. However, the nanorod structure has been obtained as the sputtering pressure is higher than 1 Pa. These nanorods structure TiO2 film shows a preferred orientation along the [110] direction. The x-ray diffraction and the Raman scattering measurements show both the dense and the nanostructure TiO2 films have only an anatase phase, no other phase has been obtained. The results of the SEM show that these TiO2 nanorods are perpendicular to the ITO substrate. The TEM measurement shows that the nanorods have a very rough surface. The dye-sensitized solar cells (DSSCs) have been assembled using these TiO2 nanorod films prepared at different sputtering pressures as photoelectrode. And the effect of the sputtering pressure on the properties of the photoelectric conversion of the DSSCs has been studied.

Preparation and characterization of dye-sensitized TiO2 nanorod solar cells

TiO2 nanorodswere prepared by DC reactive magnetron sputtering technique and applied to dye-sensitized solar cells (DSSCs). The length of the TiO2 nanorods was varied from 1 μm to 6 μm. The scanning electronmicroscopy images showthat the nanorods are perpendicular to the substrate. Both the X-ray diffraction patterns and Raman scattering results show that the nanorods have an anatase phase; no other phase has been observed. (101) and the (220) diffraction peaks have been observed for the TiO2 nanorods. The (101) diffraction peak intensity remained constant despite the increase of nanorod length, while the intensity of the (220) diffraction peak increased almost linearly with the nanorod length. These nanorods were used as the working electrodes in DSSCs and the effect of the nanorod length on the conversion efficiency has been studied. An optimumphotoelectric conversion efficiency of 4.8% has been achieved for 4 μm length nanorods.

One-step preparation of optically transparent Ni-Fe oxide film electrocatalyst for oxygen evolution reaction

Optically transparent cocatalyst film materials is very desirable for improved photoelectrochemical (PEC)oxygen evolution reaction (OER) over light harvesting photoelectrodes which require the exciting light to irradiate through the cocatalyst side, i.e., front-side illumination. In view of the reaction overpotential at electrode/electrolyte interface, the OER electrocatalysts have been extensively used as cocatalysts for PEC water oxidation on photoanode. In this work, the feasibility of a one-step fabrication of the transparent thin film catalyst for efficient electrochemical OER is investigated. The Ni-Fe bimetal oxide films, 200 nm in thickness, are used for study. Using a reactive magnetron co-sputtering technique, transparent(> 50% in wavelength range 500-2000 nm) Ni-Fe oxide films with high electrocatalytic activities were successfully prepared at room temperature. Upon optimization, the as-prepared bimetal oxide film with atomic ratio of Fe/Ni = 3:7 demonstrates the lowest overpotential for the OER in aqueous KOH solution, as low as 329 mV at current density of 2 mA cm 2, which is 135 and 108 mV lower than that of as-sputtered FeOx and NiOx thin films, respectively. It appears that this fabrication strategy is very promising to deposit optically transparent cocatalyst films on photoabsorbers for efficient PEC water splitting.

Modelação Dinâmica de Sistemas de Drenagem Urbana. Aplicação a um caso de estudo

A crescente expansão urbana e o incremento das exigências ambientais e financeiras promovem a implementação de abordagens sustentáveis para a gestão das infraestruturas sanitárias. Assim, o recurso a instrumentos de monitorização e à modelação matemática surge como o caminho para a racionalização do investimento e a otimização dos sistemas existentes. Neste contexto, a modelação dinâmica de sistemas de drenagem urbana assume relevância para o controlo e redução dos caudais em excesso e das descargas de poluentes nos meios recetores, resultantes de um incremento significativo de afluências pluviais indevidas, de problemas de sub-dimensionamento ou falta de operação e manutenção. O objetivo da presente dissertação consiste na modelação, calibração e diagnóstico do sistema intercetor de Lordelo utilizando o software Storm Water Management Model, através dos dados recolhidos a partir do projeto de Reabilitação dos intercetores de Lordelo, elaborado pela Noraqua. A modelação considera a avaliação das afluências de tempo seco e as afluências pluviais pelo software Sanitary Sewer Overflow Analysis and Planning Toolbox. Com efeito, a simulação dinâmica, permitiu um conhecimento mais detalhado do sistema, avaliando a capacidade hidráulica e localizando os pontos propícios a inundações. Assim, foi possível testar soluções de beneficiação do sistema, englobando a problemática das afluências pluviais indevidas calibradas. Apesar das dificuldades sentidas face à qualidade dos dados existentes, verificou-se que o SSOAP e o SWMM são ferramentas úteis na deteção, diagnóstico e redução dos caudais em excesso e que o procedimento utilizado pode ser aplicado a sistemas semelhantes, como forma de definir a melhor solução técnica e económica ao nível do planeamento, operação e reabilitação do sistema.

Impacto Ambiental do Processo de Tingimento de uma Indústria de Curtumes e Avaliação do Desempenho da ETAR

Um dos objetivos desta dissertação de mestrado foi avaliar o impacto ambiental do processo de tingimento usado na indústria de curtumes, em termos de volume de efluente produzido e sua carga poluente. Pretendeu-se também encontrar alternativas ao nível do processo de tingimento que levem a uma melhoria na qualidade do efluente produzido. Outro objetivo deste trabalho foi avaliar o funcionamento da ETAR existente na empresa JR Fontes, no que diz respeito aos parâmetros em estudo (carência química de oxigénio - CQO, pH, crómio e teor de sólidos suspensos totais - SST), propondo alterações que permitam respeitar os valores de emissão exigidos na licença de descarga da empresa. Verificou-se que o processo de tingimento aplicado pela empresa JR Fontes é muito poluente, em termos de carga orgânica e matéria em suspensão. Este facto é comprovado pelos resultados obtidos para os três processos estudados: Montana, Galáctico e Navak. Todos os processos apresentam um efluente com pH ácido (aproximado a 3) e valores de CQO superiores a 3550 mg O2/L, sendo o processo Navak aquele que apresenta o valor mais alto para o banho composto, 8362 mg O2/L. Relativamente ao teor de crómio, o banho de recurtume com concentração mais elevada de crómio total é o banho 1 do processo Navak, com 2297 mg/L, sendo que a concentração destes banhos é sempre elevada, igual ou superior a 746 mg/L. No que diz respeito à matéria em suspensão, o processo Navak é novamente o mais poluente, com um valor de 3842 mg SST/L, não sendo obtidos nos outros processos, valores inferiores a 1205 mg SST/L. Na realização de um processo alternativo de tingimento verificou-se que é possível diminuir a carga orgânica do efluente originado. A aplicação de recurtumes sintéticos deu origem a efluentes menos poluentes. O melhor valor obtido para a CQO foi de 1113 mg O2/L, sendo obtidos valores não superiores a 7185 mg O2/L para processos de características semelhantes aos aplicados nesta indústria. Relativamente à ETAR, apesar das restrições ao funcionamento que esta apresenta, no geral pode ser considerada eficiente, embora não consiga atingir o objetivo pretendido de remoção para a CQO, ou seja o valor de 1100 mg O2/L. Nos restantes parâmetros é cumprido o limite de emissão (350 mg SST/L, pH entre 6 e 9 e 2 mg Cr/L para o crómio total): os SST apresentam o valor de 98 mg SST/L, o crómio total de 1,2 mg Cr/L e o pH encontra-se entre 8 e 9. São aqui feitas duas abordagens para solucionar os problemas existentes na ETAR. A primeira considera um ajuste no tratamento e equipamentos existentes, através da reconstrução do tanque de equalização, da substituição do coagulante por sulfato ferroso e da reconstrução do sedimentador, assim como a substituição das tubagens por umas de maior diâmetro, solucionando assim problemas de manutenção de toda a instalação e do incumprimento da legislação. A outra abordagem implica a substituição do sistema de afinação existente, os filtros de areia e carvão ativados, por um sistema de membranas de ultrafiltração ou por dois filtros de carvão ativado. Para tratar um efluente com um valor de CQO de 3000 mg O2/L com o carvão estudado, seriam necessários 132 kg de carvão por coluna, aproveitando-se os equipamentos existentes. No caso das membranas filtrantes, estas são eficazes, reduzindo a CQO em cerca de 70%. Ao contrário do carvão, a aplicação deste sistema implicaria a aquisição de novos equipamentos. Futuramente propõe-se a avaliação dos vários tipos de reagentes usados no tingimento de couro de forma a aplicar no tratamento aqueles que produzam as características desejadas no produto final e a que apresentem um menor resultado de CQO. Propõe-se também o estudo de viabilidade da remoção de crómio dos banhos de recurtume e consequente avaliação da aplicabilidade de um tratamento biológico em substituição ou como complemento do tratamento existente.

Projecto e implementação de uma fonte de alta tensão para produção de descargas eléctricas

O objetivo deste trabalho consistiu em projetar, construir e testar um protótipo em laboratório de uma fonte de alimentação de alta tensão que permita descargas elétricas {estáveis e de dimensões reduzidas}, de modo a que possa ser utilizada, dada a sua essencialidade, na fabricação de redes de período longo (LPG) em fibra ótica nos chamados turning points. Estes são pontos de elevada sensibilidade, fundamentais no desenvolvimento tecnológico de sensores em fibra ótica, em particular, de sensores refractométricos. O protótipo da fonte de alimentação é composto por um regulador do tipo BUCK, um inversor para alimentação do transformador de alta tensão, o circuito de realimentação e controlo PWM e um microcontrolador para o comando da fonte. Posteriormente procedeu-se à otimização dos parâmetros de descarga, o que conduziu a fabricação de redes de período longo com períodos inferiores a 150 micrómetros. Este é um resultado sem paralelo a nível internacional no que concerne ao uso da técnica do arco elétrico.