CÉLULAS SOLARES DE FILMES FINOS DE NANOESTRUTURAS SEMICONDUTORAS DE

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1 CÉLULAS SOLARES DE FILMES FINOS DE NANOESTRUTURAS SEMICONDUTORAS DE TiO 2 e Nb 2 O 5 SENIZIBILIZADAS POR CORANTES ORGÂNICOS( Dye-Sensitized Solar Cells -DSSC) Alunos: Frederico Kós Botelho e Natasja Junqueira Dantas Orientador: Dr. Marco Aurélio C. Pacheco Introdução É de conhecimento geral que as fontes renováveis de energia são essenciais para o crescimento sustentável de nossa sociedade. Apesar de existir uma necessidade crescente pelo uso delas, ainda nos esbarramos com tecnologias em processo de desenvolvimento, muitas vezes não tão eficientes e portanto ainda caras se comparadas com a matriz energética tradicional. É de extrema importância então o investimento em pesquisa das fontes renováveis de modo a alcançarmos uma eficiência cada vez maior. As células solares, basicamente, absorvem a energia solar e transformam em energia elétrica. Dados mais atualizados apontam para a eficiência recorde de 37% da energia luminosa convertida em energia elétrica dessa tecnologia. Porém a média de eficiência dos painéis solares comercializados gira em torno dos 15% ainda. Aprofundando um pouco mais na explicação do funcionamento das células solares: elas funcionam, basicamente, por meio de estruturas semicondutoras dopadas (negativamente e positivamente junção pn) que, ao absorverem a luz solar, são capazes de gerar um fluxo de elétrons, transformando assim a energia luminosa em elétrica. Desse modo, as células solares mais comuns no mercado são constituídas, na maioria das vezes, por estruturas à base de silício (um elemento semicondutor), por exemplo. Figura1: Esquema básico de uma célula solar

2 Uma alternativa mais barata às células de silício, seriam as células DSSC, que ao invés de usarem um elemento semicondutor dopado, utilizam uma camada negativa de TiO2(sensibilizada por corantes orgânicos) e uma outra positiva baseada numa solução eletrolítica. Figura2: Esquema de uma célula solar de silício. Figura3: Esquema de uma célula solar DSSC. Um fator adicional para as células DSSC seria a introdução do Nb 2 O 5 no lugar do TiO 2, pois o Nióbio é um elemento abundante no Brasil e já se observou um significativo potencial fotovoltaico em filmes de Nb 2 O 5. Objetivos Os principais objetivos desse projeto são: desenvolver o melhor processo de montagem da célula, encontrar o corante orgânico (ou a combinação de corantes) que potencialize a absorção de luz, assim como desenvolver metodologias de extração desses corantes. Além de testar as diferentes opções de óxidos metálicos semicondutores, de modo a escolher o material mais eficiente.

3 Materiais e Equipamentos Os materiais usados nesse projeto são: - Etanol; -Acetonitrila; -Ácido acético -Água deionizada e destilada; -Triton-X-100(detergente); -Placas de vidros recobertas (frente e verso) com óxido de Estanho e Índio (ITO); -TiO2 em pó; -Pedras de Nb2O5 encomendadas diretamente da CBMM(empresa extratora); -Fontes de corantes orgânicos diversas para extração; -Pectina cítrica; -Glicerina; -Perclorato de Lítio; -Placa de agitação; -Ultrassom; -Estufa; -Mufla; -Demais equipamentos de laboratório exigidos conforme a metodologia usada; -Osciloscópio (DSO 102A Agilent Technologies 60 MHz); Pesquisa bibliográfica Inicialmente se desenvolveu uma pesquisa sobre células solares bem consistente envolvendo todos os alunos participantes do projeto. Pesquisou-se desde células solares à base de Silício (mais encontradas no mercado) até células DSSC e híbridas. Para estas últimas também foram pesquisadas metodologias sobre como fabricá-las e suas eficiências. Posteriormente, já na fase dos trabalhos em laboratório, as pesquisas bibliográficas continuaram, agora com foco nos corantes orgânicos. Durante essa parte da pesquisa, achamos informações muito interessantes, que apesar de ainda pouco testadas, têm potencial para aumentar significativamente a eficiência das células DSSC. Essas pesquisas com corantes tiveram foco na descoberta dos seus potenciais quanto à absorção de luz, degradabilidade e proteção da célula contra raios ultra-violeta. Na leitura de livros e artigos descobrimos três pigmentos protetores que as plantas de sol têm: xantofilas, flavonóis e antocianidinas. Estes podem ser úteis para proteger a célula e aumentar sua vida útil. As plantas de sombra, por outro lado, tendo menos disponibilidade de luz, possuem maior relação clorofila a/clorofila b que as plantas de sol, o que aumenta a absorção de luz. Conseguir combinar essas duas propriedades seria um grande avanço no desenvolvimento das céuluas solares. Ainda sobre combinações de diferentes corantes, cada um deles absorve frequências diferentes. Outro ponto a favor das combinações, já que as ondas de luz têm muitas frequências e quanto mais ondas (representadas pelos fótons) a célula conseguir absorver, correntes elétricas mais altas ela conseguirá gerar. Outra informação relevantes é a de que existem pigmentos naturais que absorvem o infra-vermelho. Um deles é o bacterioclorofila (que absorve de 700 a 1000 nm; as bactérias, por exemplo: o Rhodopseumonas, que o produzem podem ser cultivados em laboratório) e possivelmente também o corante do jenipapo.

4 Onde achar esses corantes? Seguem exemplos: flavonóis (outros corantes protetores que absorvem UV) podem ser achados em alta concentração em flores brancas, beta-caroteno e xantofila na cenoura. Nos nossos testes, os melhores resultados foram com os corantes da jabuticaba. O açaí parece promissor, com alto teor de antocianinas e absorção de várias frequências (pela sua cor escura). Metodologia A infraestrutura necessária para a realização deste projeto já se encontra na PUC-Rio, através de um laboratório químico disponível. Além disso, foi preciso encomendar certos materiais como o Nb2O5, direto da CBMM, TiO2, e os vidros de ITO. A metodologia usada para o preparo, pesquisa e desenvolvimento das células DSSC propostas é a mesma tanto para aquelas que tiverem filmes finos de Nb 2 O 5 quanto para as de TiO 2. Ela consiste em 7 etapas: -Preparo da emulsão/sol-gel de Nb 2 O 5 ou TiO 2 ; -Deposição dela numa placa de óxido de titânio e índio (ITO); -Preparação do Catodo; -Preparação do eletrólito em gel; -Extração dos corantes orgânicos; -Montagem da célula; -Leitura de voltagem; Primeiramente deve-se lavar as placas de ITO que serão usadas com detergente Triton-X- 100 durante uma hora no ultrassom. Em seguida, o detergente é totalmente retirado com muita água deionizada e destilada e as placas são imersas em acetonitrila e colocadas novamente no ultrassom durante uma hora. Depois desse procedimento, retiram-se as placas do solvente acetonitrila para secá-las na estufa. O preparo da emulsão se dá misturando 1g de TiO 2 ou Nb 2 O 5 com 10 ml de etanol em um béquer de 25 ml. Para aumentar a adesão da emulsão sobre o substrato adiciona-se 0,15 ml de Triton-X ml de água e ácido acético também são adicionados à mistura, já que esses componentes ajudam a evitar que essa camada tenha rachaduras em momentos posteriores da montagem da célula. Logo depois, submete-se a emulsão à agitação (na placa de agitação) durante 5 minutos e depois durante uma hora no ultrassom. Esse último procedimento é repetido 3 vezes na sequencia que foi descrito para depois se depositar a pasta formada na placa contendo o filme de ITO.

5 Figura4: Preparação da pasta (na placa de agitação). Figura5: Preparação da pasta (no ultrassom). A deposição da emulsão (já pasta) é feita cuidadosamente por espalhamento em 2 camadas, com o auxilio de um pincel. Depois desse procedimento, a pasta é sinterizada a 450 ºC durante 30 minutos em uma Mufla. Figura6: Pasta pronta para ser colocada na Mufla. Figura7: Mufla.

6 A preparação do catodo se da por deposição de fuligem numa outra placa de ITO. Figura8: Placa de ITO feita para ser o catodo da célula. Para o eletrólito em gel, mistura-se 0,6 g de pectina cítrica, 10,78 ml de glicerina e 0,24 g de perclorato de lítio. Essa mistura é colocada sob agitação vigorosa até total dissolução. Em seguida, são adicionados 20 ml de água. A mistura é aquecida a 70 o C sob agitação constante até completar a diluição. Depois, a mistura é introduzida em uma cuba na estufa por 48 horas para secar. Quando a mistura seca e não é usada imediatamente, ela deve ser armazenada em ambiente muito seco ou à vácuo. É importante acrescentar que inicialmente tentamos usar um eletrólito líquido, contendo o par redox iodeto/triodeto.isso gerou problemas de vazamento e secagem rápida do eletrólito liquido na célula já montada. Além disso, vimos que a eficiência dela com este eletrólito era menor do que se ele fosse em gel. Dessa forma, optamos pelo eletrólito em gel, já descrito acima, uma vez que com ele os problemas de secagem e vazamento são praticamente inexistentes. A extração dos corantes naturais se dá primeiramente por meio da maceração das frutas auxiliada por grau e pistilho, em seguida o suco é filtrado a vácuo. Se o suco está muito concentrado, é necessário fazer uma diluição 1:1 com agua ionizada e bidestilada. Diversos corantes naturais e artificiais (através de xaropes) foram testados. Figura10: corante de jabuticaba. Figura11:corante de amora.

7 Finalmente, na montagem da célula, a placa contendo a pasta de TiO 2 sinterizada é submersa no suco filtrado da fruta por 24 horas. Depois desse período, é feita a deposição do eletrólito em gel na placa de vidro contendo a pasta de TiO 2 sinterizada e com o corante orgânico. Utilizando uma espátula, corta-se uma parte do gel que cubra suficientemente o vidro de ITO contendo a pasta. Aplicase essa parte diretamente acima da pasta, cobrindo-a. Figura12: Eletrólito em gel a ser depositado acima do vidro ITO que contem a pasta de TiO2. Figura13: Eletrólito em gel sendo depositado.

8 Em seguida, é a realizada a junção das duas placas de ITO, sendo a parte interior dessa junção a que contem a fuligem e a pasta recoberta com o eletrólito em gel. Para isso, utiliza-se nada mais que fita adesiva nos quatro cantos da célula com as partes já juntadas. Figura14: Célula montada.

9 Para a realização dos testes de eficiência das células, faz-se uma leitura da voltagem delas num ambiente controlado de luz de 60 watts, usando um osciloscópio. Figura15:Teste de eficiência.

10 Resultados Quanto aos semicondutores no anodo: fizemos testes com TiO2, e dois tipos de pentóxido de nióbio, Nb2O5 (de alta pureza e de grau ótico) para fazer o anodo. Fizemos também um anodo com uma mistura dos dois materiais. Observamos que o pentóxido de nióbio apresentava menos rachaduras e uma camada mais homogênea. Não chegamos a completar as células com pentóxido de nióbio e testá-las, porém nos pareceram bem promissoras; ainda mais se considerarmos a disponibilidade desse material no Brasil, tão maior que no resto do mundo. Dentre os corantes testados, a sensibilização do corante extraído da Jabuticaba apresentou a maior voltagem, 330 mv. A leitura dos demais ficou, em média, igual a 145,4 mv. Tabela 1 - Voltagens alcançadas nos testes Tempo para fazer a leitura em minutos Fruta/corante (suco da fruta) mvolt (tempo de saturação) Amora Cereja Jabuticaba Jamelão Cenoura Beterraba Xarope de groselha/corante artificial Xarope de guaraná/corante artificial Xarope de mate/ corante artificial Branco (célula fotovoltaica somente com a pasta de TiO 2 ) 8,95 8 É necessário ainda investigar outros corantes naturais como o açaí, clorofila, bacterioclorofila e jenipapo, além de possíveis combinações entre corantes e a capacidade e sensibilização ao longo do dia, de cada uma delas e das misturas. Também é importante dar atenção especial aos corantes usados pelos povos indígenas, que por experiência se mostram úteis e resistentes à degradação.

11 Referências 1 FREITAS,Fábio Elias.Célula Solar de SnO 2 /TiO 2 preparada por Spray -pirólise ativada com corante orgânico.ilha Solteira(SP), p.Dissertação( Pós-Graduação em Ciência dos Materiais).Departamento de Física e Química, Universidade Estadual Paulista. 2 - Agnaldo, J. S.; Bastos, J.B.V. e Cressonu, J.C. e Viswanathan, G. M. Células Solares de TiO 2 Sensibilizada por Corante. Rev. Brasileira de Ensino de Física, v. 28, n. 1, p (2006). 3 FEITOSA, Alexandra de Vasconcelos.Estudo de novos corantes naturais fotoexcitáveis como sensibilizadores em células solares.fortaleza(ce), p.Dissertaçao (Mestrado acadêmico em Ciências Físicas Aplicadas). Universidade Estadual do Ceará. 4- GRÄTZEL, Michael e O REAGAN, Brian. A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films, Nature 353, Oct. 24, pp