projeto dssc

Universidade Federal do ABCCentro de Ciências Naturais e Humanas

Preparação de células solares nanocristalinas sensibilizadas por corantes e medidas de desempenho.

Candidata: Tânia Aparecida de Faria e Silva

Nível: Iniciação científica

Orientador: Prof. Dr. André Sarto Polo

Área: Química Inorgânica

Santo André, abril de 2011


1. IntroduçãoA utilização de fontes renováveis de energia é necessária para a diversificação

da matriz energética e é uma das tendências mundiais que tem crescido consideravelmente [1-3]. Dentre elas a que chama mais atenção é a luz solar, bastante adequada por ser limpa e praticamente inesgotável e, portanto, novas tecnologias para o seu aproveitamento devem ser desenvolvidas. A maior parte da radiação solar que atinge a superfície terrestre encontra-se na região visível e para aproveitá-la é necessário o desenvolvimento de dispositivos que consigam captar e converter a energia desta região.

Um dos dispositivos que tem atraído grande atenção nos últimos anos são as células solares sensibilizadas por corantes, DSSCs (Dye-sensitized solar cells). As DSSCs têm chamado a atenção desde o trabalho publicado por O’Reagan e Grätzel em 1991 [4]. Até então, o processo de sensibilização de semicondutores era conhecido, mas ineficiente. Com a utilização de um filme de óxido metálico, TiO2, nanocristalino e mesoporoso, observou-se a conversão de luz em eletricidade com eficiência de 7,1%, valor nunca antes obtido. Atualmente, a maior eficiência certificada para uma célula de laboratório é de 10,4% e para pequenos painéis é de 6,4% [5], embora eficiências superiores a 11% já tenham sido apresentadas em alguns artigos [6, 7].

As DSSCs são constituídas por dois eletrodos. Um dos eletrodos é formado por um vidro condutor, sobre o qual é depositado um filme de semicondutor nanocristalino e mesoporoso, normalmente o TiO2, e à sua superfície é adsorvido o corante sensibilizador. Este conjunto é denominado fotoanodo. O outro eletrodo também é constituído por um vidro condutor recoberto com uma fina camada de catalisador e é denominado contra-eletrodo. Entre os dois eletrodos existe uma camada de mediador que serve para regenerar o corante oxidado e fechar o circuito elétrico. Quando montada, a célula solar nanocristalina sensibilizada por corante possui um arranjo do tipo sanduíche, Figura 1.

Figura 1. Representação esquemática de uma célula solar nanocristalina sensibilizada por corante.

Tânia Aparecida 1


A utilização de um semicondutor nanocristalino e mesoporoso tem a vantagem de possuir uma grande área superficial. Logo, quando a luz incide neste tipo de semicondutor sensibilizado, ela atinge uma quantidade muito maior de corantes adsorvidos quando comparado à uma superfície plana. A estrutura mesoporosa funciona de maneira similar às vesículas tilacóides das plantas verdes, que estão empilhadas com o intuito de aumentar a absorção da luz pela clorofila durante a fotossíntese [8]. Além da vantagem da grande área superficial, o semicondutor tem o papel de coletar e conduzir os elétrons injetados pelo corante sensibilizador na sua banda de condução, ao vidro condutor.

O funcionamento de uma DSSC inicia-se com a absorção de luz pela espécie sensibilizadora. A absorção de luz leva a espécie a um estado energeticamente excitado que possui energia suficiente para que ocorra a injeção de elétrons do sensibilizador na banda de condução do semicondutor. Após o processo de injeção de elétrons o sensibilizador retorna ao estado fundamental na sua forma oxidada. O elétron injetado percola pelo filme do semicondutor até atingir o vidro condutor a partir do qual é conduzido ao circuito externo. O mediador presente reduz o sensibilizador oxidado e é posteriormente reduzido no contra eletrodo, fechando o ciclo. O mediador redox mais utilizado é o par I3

-/I- em nitrilas [9]. Nas DSSCs os processos de absorção de luz, separação e transporte de cargas são distintos, o que diminui a chance de recombinação e consequentes perdas de eficiência.

Algumas características fazem com que os corantes sensibilizadores sejam eficientes na utilização em DSSCs, tais como, ser capaz de absorver a maior parte da região visível do espectro eletromagnético, adsorver quimicamente à superfície do semicondutor e possuir estados excitados com energia suficiente para injetar elétrons na sua banda de condução, potencial redox do estado fundamental adequado para ser regenerado pelo mediador e é desejável que o composto resista a pelo menos 108

ciclos redox, que equivale a 20 anos de exposição a luz solar [10].

Atualmente os corantes mais eficientes que são utilizados em células solares nanocristalinas sensibilizadas por corantes são compostos de coordenação com centro metálico de rutênio(II). Porém outros corantes têm chamado a atenção neste campo, dentre eles merecem destaque os corantes naturais que podem ser facilmente obtidos de diversas fontes como flores e frutos, como as antocianinas, Figura 2. Essas substâncias são as responsáveis pelos tons vermelho-violeta de uma diversidade de frutos e são de fácil obtenção. Diversos estudos foram conduzidos com antocianinas extraídas de várias fontes [11-15] ou mesmo utilizando com sua forma purificada e vendida comercialmente [16]. Esses corantes podem ser uma alternativa para a redução dos custos de produção das células solares nanocristalinas sensibilizadas por corantes.

Tânia Aparecida 2


Figura 2. Estrutura da cianidina, uma antocianidina.

O processo mais simples para a obtenção das antocianinas para serem utilizadas em células solares é a trituração dos espécimes, o que resulta numa mistura das antocianinas com outros componentes, que podem ser também adsorvidos à superfície do semicondutor e são denominados co-adsorbatos. Já é conhecido que a mistura de antocianinas e co-adsorbatos tem um desempenho melhor que a antocianina purificada na conversão de energia [17]. Trabalhos utilizando antocianinas obtidas de fontes como Black rice também foram realizados [26] bem como outros estudos que utilizaram de antocianinas obtidas de romãs para o preparo de células solares nanocristalinas sólidas. Investigações teóricas usando a teoria da densidade funcional, DFT, foram conduzidas para melhor compreensão dos fenômenos envolvidos na conversão de energia utilizando esses corantes [27]. Recentemente foi publicado um trabalho no qual os corantes foram extraídos de Rosella ou de Blue peas e foram avaliados vários parâmetros de extração dos corantes dessas plantas e concluiu-se que o ajuste da temperatura e pH de extração podem melhorar o desempenho de células solares nanocristalinas [28].

O presente projeto insere-se nesse contexto buscando preparar e avaliar composições distintas de mediadores das células solares nanocristalinas sensibilizadas por corantes com a finalidade de obter a composição adequada para utilização em células solares sensibilizadas por corantes naturais.

Tânia Aparecida 3


2. ObjetivosEste projeto tem como objetivo principal a investigação sobre a influência dos

mediadores utilizados em células solares nanocristalinas sensibilizadas por corantes e o desenvolvimento de técnicas para a realização de medidas de desempenho das mesmas na Universidade Federal do ABC.

Para isso a aluna preparará a maioria dos componentes, como a suspensão coloidal de óxido de titânio, os contra-eletrodos etc. além de desenvolver a metodologia necessária para a montagem das células solares buscando o aumento da reprodutibilidade dos dispositivos preparados.

Por fim, também são objetivos deste projeto proporcionar a formação de recurso humano capacitado dentro de um campo de pesquisa interdisciplinar, visando também fortalecer o grupo de Fotociências na Universidade Federal do ABC e associar investigações de caráter fundamental como base para obter sistemas que gerem aplicação em um prazo médio.

Tânia Aparecida 4


3. Plano de trabalho e cronogramaInicialmente será feita a preparação dos filmes nanocristalinos e

mesoporososo de óxido de titânio a partir da hidrólise ácida do precursor isopropóxido de titânio, seguido do crescimento hidrotérmico das suas partículas, como é descrito na literatura [18]. O sol formado será depositado em vidros condutores do tipo FTO (Fluorine doped Tin Oxide) seguido da sinterização das partículas.

Também serão preparados os contra-eletrodos das células solares sensibilizadas por corantes pela deposição de ácido hexacloroplatínico na superfície de outro vidro condutor, seguido de tratamento térmico, para a formação da platina metálica que servirá de catalisador das reações de regeneração do mediador.

O mediador será inicialmente preparado utilizando o par iodo/iodeto em nitrilas, como é descrito na literatura. Posteriormente será variada a concentração do par para verificar qual a proporção mais adequada destas substâncias. Também serão avaliadas diferentes misturas de solventes de maneira a melhorar o rendimento global da célula solar. A investigação envolverá ainda a inclusão de aditivos no mediador, como por exemplo a 3 metil-oxazolidinona e o tiocianato de guanidínio, para verificar a influência dos mesmos no desempenho das células solares.

As células solares nanocristalinas sensibilizadas por corantes naturais terão seu desempenho avaliado inicialmente por medidas de densidade de corrente de curto-circuito, Jsc, e potencial de circuito aberto, Voc. Essas medidas serão realizadas utilizando como fonte de luz uma lâmpada halógena de 150 W e um multímetro para medir as correntes e as tensões produzidas pelos dispositivos preparados. Com o progresso do projeto, curvas de corrente vs tensão também serão construídas.

Cronograma das atividades

Atividade Quad. 1 Quad. 2 Quad. 3

Levantamento Bibliográfico X X XPreparação e caracterização do sol de TiO2 X X XPreparação e avaliação do mediador padrão XPreparação de mediadores com diferentes composições e avaliação de desempenho

X X

Montagem de células solares X X XMedidas de fotoeletroquímicas X X XParticipações em congressos XRedação do material para publicação e relatórios

X X

Tânia Aparecida 5


4. Materiais e métodos

4.1. Preparação de filmes nanocristalinos e mesoporosos de TiO2.

Os filmes nanocristalinos e mesoporosos utilizados para a preparação das células solares seguirão os procedimentos descritos na literatura [22-24]. Resumidamente, faz-se a hidrólise ácida do isopropóxido de titânio sob agitação contínua, seguida por uma etapa de crescimento hidrotérmico dos cristais. Os filmes nanocristalinos serão preparados pela técnica de “painting”, delimitando-se uma faixa em um substrato condutor sobre a qual é depositada a camada da suspensão de TiO2

preparada. Esse eletrodo é colocado na mufla para a sinterização das suas partículas.

4.2. Sensibilização de semicondutoresA sensibilização do semicondutor será feita mergulhando-se os eletrodos com

filmes de TiO2 nanocristalinos nas soluções dos corantes, preparados como descrito no item 4.1.

4.3. Preparação de contra eletrodosOs contra-eletrodos serão preparados como descrito na literatura [22, 24]

através da dispersão de uma solução de ácido hexacloroplatínico na superfície condutora do FTO e aquecendo-os em uma mufla.

4.4. Preparação do mediadorA solução mediadora a ser utilizada inicialmente será preparada conforme

descrito na literatura [22, 24] e será constituída de iodo e iodeto de lítio em uma mistura de acetonitrila. Posteriormente a composição do mediador será alterada, buscando melhorar o desempenho das células solares preparadas.

4.5. Montagem das células solaresAs células solares sensibilizadas por corantes serão montadas em um arranjo

do tipo sanduíche. O fotoanodo sensibilizado por corante e o contra-eletrodo são separados por um espaçador. Entre os dois eletrodos é colocado o mediador que é responsável pela regeneração do corante oxidado e também pelo fechamento do circuito elétrico.

4.6. Microscopia eletrônica de varreduraQuando necessário, os componentes preparados terão sua morfologia

avaliada por microscopia eletrônica de varredura, utilizando os microscópios disponíveis no Laboratório Nacional de Luz Síncrotron, LNLS. Neste laboratório existem dois microscópios para a realização dos experimentos, o SEM-LV JSM 5900 e o SEM-FEG JSM 6330F ambos da Jeol. Os equipamentos serão operados pelo Prof. Dr. André Sarto Polo que já possui acesso a essas facilidades.

Tânia Aparecida 6


4.7. Espectroscopia eletrônica na região do UV-VisOs espectros eletrônicos na região do UV-Vis serão obtidos no

espectrofotômetro Cary 50 Scan da Varian. O equipamento utiliza uma lâmpada de Xenônio como fonte de radiação e realiza varreduras de 190 a 1100 nm, a velocidade de varredura pode ser ajustada entre 0,01 a 24.000 nm min -1. Os espectros serão obtidos em cubetas de quartzo fundido ou filmes sensibilizados.

4.8. Potenciostato/galvanostatoOs experimentos de fotoeletroquímica serão realizados em um

potenciostato/galvanostato μautolab tipo III, que permite a realização de diversos experimentos eletroquímicos, como a voltametria cíclica e linear.

4.9. Curvas corrente – potencial (IxV)As curvas de corrente vs potencial serão obtidas com um

potenciostato/galvanostato. Para a determinação inicial das curvas de corrente-potencial a célula solar é iluminada por uma fonte de luz e realizam-se varreduras do potencial zero até o potencial de circuito aberto. Como fonte de iluminação será utilizada uma lâmpada comum para as medidas preliminares e as melhores células serão avaliadas no Laboratório de Fotoquímica Inorgânica e Conversão de Energia da USP, onde será utilizado um simulador solar para a realização das medidas sob condições padrão de irradiação. A utilização desses equipamentos é uma parte da colaboração estabelecida com a Profa. Dra. Neyde Yukie Murakami Iha do IQ/USP.

Tânia Aparecida 7


5. Referências[1]. M. Gratzel, Mesoscopic solar cells for electricity and hydrogen production from

sunlight, Chem. Lett. 2005, 34, 8-13.[2]. P.V. Kamat, Meeting the clean energy demand: nanostructure architectures for

solar energy conversion, J. Phys. Chem. C. 2007, 111, 2834-2860.[3]. N. Armaroli and V. Balzani, The future of energy supply: Challenges and

opportunities, Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 2007, 46, 52-66.[4]. B. Oregan and M. Gratzel, A Low-Cost, High-Efficiency Solar-Cell Based on Dye-

Sensitized Colloidal Tio2 Films, Nature. 1991, 353, 737-740.[5]. Martin A. Green, K. Emery, Y. Hishikawa, W. Warta, Short Communication Solar

cell efficiency tables (version 33), Prog. Photovolt. Res. Appl. 2009, 17, 85-94.[6]. M. Grätzel, The magic world of nanocrystals, from batteries to solar cells,

Current Applied Phys. 2006, 6S1, e2-e7.[7]. M. Gratzel, Photovoltaic performance and long-term stability of dye-sensitized

meosocopic solar cells, C. R. Chimie. 2006, 9, 578-583.[8]. M. Gratzel, Solar energy conversion by dye-sensitized photovoltaic cells, Inorg.

Chem. 2005, 44, 6841-6851.[9]. M. Grätzel, Photoelectrochemical cells, Nature. 2001, 414, 338-344.[10]. M.K. Nazeeruddin, S.M. Zakeeruddin, J.J. Lagref, P. Liska, P. Comte, C. Barolo, G.

Viscardi, K. Schenk, M. Graetzel, Stepwise assembly of amphiphilic ruthenium sensitizers and their applications in dye-sensitized solar cell, Coord. Chem. Rev. 2004, 248, 1317-1328.

[11]. K. Tennakone, A.R. Kumarasinghe, G.R.R.A. Kumara, K.G.U. Wijayantha, P.M. Sirimanne, Nanoporous TiO2 photoanode sensitized with the flower pigment cyanidin, J. Photochem. Photobiol., A. 1997, 108, 193-195.

[12]. P.M. Sirimanne, M.K.I. Senevirathna, E.V.A. Premalal, P.K.D.D.P. Pitigala, V. Sivakumar, K. Tennakone, Utilization of natural pigment extracted from pomegranate fruits as sensitizer in solid-state solar cells, J. Photochem. Photobiol., A. 2006, 177, 324-327.

[13]. S. Hao, J. Wu, Y. Huang, J. Lin, Natural dyes as photosensitizers for dye-sensitized solar cell, Solar Energy. 2006, 80, 209-214.

[14]. G.P. Smestad, Education and solar conversion: Demonstrating electron transfer, Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 1998, 55, 157-178.

[15]. G.P. Smestad and M. Grätzel, Demonstrating electron transfer and nanotechnology: A natural dye-sensitised nanocrystalline energy converter, J. Chem. Educ. 1998, 75, 752-756.

[16]. Q. Dai and J. Rabani, Photosensitization of nanocrystalline TiO2 films by anthocyanin dyes, J. Photochem. Photobiol., A. 2002, 148, 17-24.

[17]. N.J. Cherepy, G.P. Smestad, M. Grätzel, J.Z. Zhang, Ultrafast electron injection: Implications for a photoelectrochemical cell utilizing an anthocyanin dye-sensitized TiO2 nanocrystalline electrode, J. Phys. Chem. B. 1997, 101, 9342-9351.

[18]. M.K. Nazeeruddin, A. Kay, I. Rodicio, R. Humphry-Baker, E. Müller, P. Liska, N. Vlachopoulos, M. Grätzel, Conversion of light to electricity by cis-X2bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylate)ruthenium(II) charge-transfer sensitizers (X = Cl-, Br-, I-, CN-, and SCN-) on nanocrystalline TiO2 electrodes, J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 6382-6390.

Tânia Aparecida 8


[19]. A.S. Polo and N.Y. Murakami Iha, Blue sensitizers for solar cells: Natural dyes from Calafate and Jaboticaba, Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 2006, 90, 1936-1944.

[20]. C.G. Garcia, A.S. Polo, N.Y. Murakami Iha, Fruit extracts and ruthenium polypyridinic dyes for sensitization of TiO2 in photoelectrochemical solar cells, J. Photochem. Photobiol., A. 2003, 160, 87-91.

[21]. C.G. Garcia, A.S. Polo, N.Y. Murakami Iha, Photoelectrochemical solar cell using extract of Eugenia jambolana Lam as a natural sensitizer, An. Acad. Bras. Cienc. 2003, 75, 163-165.

[22]. C.G. Garcia, A.S. Polo, N.Y.M. Iha, Fruit extracts and ruthenium polypyridinic dyes for sensitization of TiO2 in photoelectrochemical solar cells, J. Photochem. Photobiol., A. 2003, 160, 87-91.

[23]. C.G. Garcia, A.S. Polo, N.Y.M. Iha, Photoelectrochemical solar cell using extract of Eugenia jambolana Lam as a natural sensitizer, An. Acad. Bras. Cienc. 2003, 75, 163-165.

[24]. A.S. Polo and N.Y.M. Iha, Blue sensitizers for solar cells: Natural dyes from Calafate and Jaboticaba, Sol. Energy Mater. 2006, 90, 1936-1944.

Santo André, 14 de maio de 2009.

Leilane Oliveira Martins de AndradeAluna

Prof. Dr. André Sarto PoloOrientador

Tânia Aparecida 9

projeto dssc

Documents