Template Saeq 2016 - Normas (Células Solares)

7/25/2019 Template Saeq 2016 - Normas (Clulas Solares)

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SEMANA ACADMICA DE ENGENHARIA QUMICA 201616 a 20 de maio de 2016

Clulas solares sensibilia!as "or #oran$e u$ilian!o %ibis#o e su#o !e&ra'boesa #o'o $in$uras

Geor(e No(ueira !e )li*eira1+, Mi#%ael Seer-2, .o%n Colleran/

1Universidade Federal do Amazonas, Curso de Bacharelado em Qumica, Instituto de Cincias Exatas.

Av. al. !odri"o #t$vio, %&', CEP( )*+-+++ /anaus & A/.0Universidade de Edimur"o, 2r3dio 4ose5h Blac6. Estrada 7avid Bre8ster, CE2( E9* :F4

Edimur"o& Esc;cia:Instituto de


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inteiro. Elas abrangem a energia e$lica, solar, geotrmica, 7#drica e de biomassa, sendoa energia solar a (ue vem recebendo desta(ue com uma alternativa "romissora, emgrande "arte devido ao seu "otencial energtico /FEE, 200? EJFE, 2010.

Hma ve (ue todas as formas de energia se originam, de alguma forma, daradia'%o emitida "elo sol, Kustificvel faer bom uso desta fonte "ara "roduireletricidade, "ois at mesmo uma "e(uena fra'%o de lu solar "oderia ser convertida emuma forma de energia alternativa e utilivel. )tualmente, grande "arte das tecnologiasutiliadas "ara armaenar a energia solar s%o baseadas num fenLmeno denominadoMefeito fotovoltaicoN, "elo (ual uma corrente eltrica "roduida (uando um material e*"osto ; lu. O o (ue acontece (uando as clulas solares entram em contato com a lu,e "or isso, s%o consideradas uma das con(uistas mais bem&sucedidas da ci!ncia dosmateriais. /FEE, 200? E=F5E, 2009.

Cerca de < das clulas solares "roduidas no mundo s%o com"ostas desilicone cristalino como material semicondutor, no (ual os f$tons da lu solar batem nos

eltrons livres dos tomos, "ermitindo (ue eles fluam livremente atravs do material"ara "roduir eletricidade. Clulas (ue utiliam outros materiais semicondutores, comocdmio e telQrio tambm foram confeccionadas. o entanto, e*iste um custo agregado ;

"rodu'%o destas clulas "elo fato de utiliarem materiais de dif#cil acesso. Hmaalternativa de bai*o custo e alta efici!ncia de convers%o da energia solar, em uma formasimilar aos dis"ositivos convencionais "roduidos com sil#cio, s%o as clulas solaressensibiliadas com corantes /C, do ingl!s 7e-sensitized %olar Cells. Esse ti"o declula utilia um su"orte mec+nico coberto com $*idos condutores trans"arentes, filmessemicondutores /geralmente de di$*ido de tit+nio, -i2, um sensibiliador absorvido

"ela su"erf#cie do semicondutor, um eletr$lito contendo um intermedirio redo* e umcontra eletrodo ca"a de regenerar o intermedirio redo* /E=F5E, 2009?

)REEFH, 2011? S)D, 201.=evando em considera'%o (ue diferentes materiais interagem de maneira

diferenciada com a lu e a eficcia da clula solar de"ender do ti"o de material a serutiliado, este "roKeto tem como obKetivo verificar a efici!ncia do uso de suco deframboesa e e*tratos de flores de 7ibisco como tinturas "ara Cs, investigar aintera'%o dessas tinturas com o material semicondutor, -i2,e com"arar a efici!ncia dasclulas "roduidas com as clulas de um 4it comercial M5an olarN atravs dacaracteria'%o eletro(u#mica das mesmas /DFT-RE=, 200? J) 2010.

ME3)D))GIA

re"ara78o !e #lulas solares a "ar$ir !o 9i$ Man Solars eletrodos da clula solar tiveram a camada de $*ido condutora identificadacom um mult#metro em resist!ncia de 200 U verificando ambos os lados da su"erf#ciev#trea at (ue um valor diferente de 1,0 fosse registrado. s eletrodos negativos foramlim"os com 2 ou gotas de etanol e tiveram as e*tremidades cobertas com fita adesivade 2 mm. Em seguida, foram goteKadas de 2 a gotas da sus"ens%o de -i 2e es"al7adassobre a su"erf#cie do eletrodo com uma l+mina de vidro. Estes eletrodos foram levadosa um forno mufla na tem"eratura de 00 BC "or 20 minutos, "ara calcina'%o e obten'%oda fase cristalina )natase do -i2. Com o au*#lio de um l"is, foi de"ositada umacamada de grafite sobre os eletrodos "ositivos.

re"ara78o !e sus"ens:es !e 3i)2"or soni#a78o e e' &ras#os a'os$ra!ores

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)"ro*imadamente 1, g de dois ti"os de di$*ido de tit+nio: egussa P&2/igma&)ldric7V e "igmento /5illeniumV foram "esados em frascos amostradores. )estes frascos foram adicionados diferentes solventes tais como: cido n#trico, metanol e

etileno&glicol /5erc4V. Em seguida, os frascos foram tam"ados e agitados at (ue umasolu'%o 7omog!nea fosse obtida. )s solu'3es foram levadas a um ban7o ultrassLnico/=indbergWXlue, -7ermo cientificY "or 0 minutos. )ntes de cada uso, as solu'3esforam novamente agitadas. )o final foram "re"aradas seis sus"ens3es, (ue foramutiliadas como um substituto "ara a sus"ens%o fornecida "elo 4it 5an olar, cuKosolvente cido actico dilu#do.

re"ara78o !os #oran$es e $in(i'en$o !o ele$ro!o ne(a$i*o)"ro*imadamente 1, g de flores de 7ibisco foram adicionados a um b(uer

contendo 0 m= de gua fervida, (ue foi esfriada ; tem"eratura ambiente. Para "roduiro suco de framboesa foram utiliados a"ro*imadamente 6 g da fruta, (ue foi macerada

e filtrada. )mbas as tinturas foram colocadas em "lacas Petri distintas.s eletrodos negativos foram retirados do forno mufla, e resfriados ;

tem"eratura ambiente. Em seguida, foram colocados nas "lacas de Petri contendo astinturas, onde "ermaneceram submersos "or 10 min, ou at (ue 7ouvesse mudan'a dacolora'%o do material semicondutor de branco "ara ro*o ou violeta.

Mon$a(e' !a #lula solars eletrodos "ositivo e negativo foram colocados Kuntos, com o au*#lio de um

cli"e de "a"el, de maneira (ue a su"erf#cie com o semicondutor entrasse em contadocom a su"erf#cie tratada com grafite. Joram colocadas de 2 a gotas de um eletr$lito deiodo /&W& (ue migrou atravs da clula "or ca"ilaridade, faendo com (ue a camada dosemicondutor ad(uirisse tonalidade marrom. )ten'%o es"ecial foi dada ; "resen'a de

bol7as, (ue tiveram de ser eliminadas "ara (ue a su"erf#cie da camada semicondutora"ermanecesse "lana.

De$er'ina78o !a #orren$e e *ol$a(e' !as #lulas solaresCorrente e voltagem "roduidas "elas clulas solares (uando e*"ostas ; lu

foram medidas utiliando uma l+m"ada de 7alog!nio /1Z S, a (ual foi sus"ensa a umaaltura de 0 cm com o au*#lio de um su"orte universal. )lm disso, medidas foramrealiadas sob lu ambiente /do laborat$rio e no escuro. Cada clula foiindividualmente conectada a um mult#metro, com o au*#lio de fios com garras MKacarsN

em cada e*tremidade. Hm mult#metro foi adicionado ao circuito, conectando&o a umacai*a de resist!ncia, cuKo "a"el foi variar a voltagem e corrente relativas ; =ei de 7m.) regi%o de resist!ncia variou a "artir de 6000 4U, a m*ima regi%o de resist!nciadeterminada e*"erimentalmente, as varia'3es foram observadas e os valores foramanotados "ara "osterior obten'%o de curvas de corrente "or voltagem /8.

RESU3AD)S E DISCUSS5))"$i'ia78o !a &abri#a78o !e #lulas solares

Joram fabricadas 12 clulas solares incluindo tanto a(uelas feitas com o materialdis"onibiliado "elo 4it 5an olar (uantos a(uelas feitas com as sus"ens3es utiliandodois diferentes ti"os de -i2: egussa P&2 e "igmento.

bservou&se (ue as clulas (ue a"resentaram su"erf#cies mais "lanas euniformes foram a(uelas feitas com os solventes metanol e cido n#trico concentrado.

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Etileno&glicol foi igualmente testado, no entanto um solvente de dif#cil secagem e n%o"ode ser submetido ao forno mufla "or entrar facilmente em combust%o. )liado a isso,as camadas su"ercondutoras utiliando este solvente n%o a"resentaram absor'%o da

tintura. )s clulas "roduidas a "artir do 4it 5an olar a"resentaram uma camada "lanae a"resentam colora'%o violeta a"$s serem tingidas com os corantes, como "ode servisto na figura 1, "ermitindo (ue o eletr$lito fosse es"al7ado "ela clula de maneirauniforme.

Jigura 1 [ Clulas solares "re"aradas com o 4it 5an olar, a"$s serem tingidas come*trato de flores de 7ibisco, mostrando uma su"erf#cie semicondutora ideal.

) clula feita com cido n#trico como solvente, "roduiu uma voltagem maior(ue a(uela "roduida a "artir do 4it 5an olar. En(uanto a "rimeira "roduiu umaenergia de 90 m8, a segunda "roduiu 900 m8, as duas foram submetidas ; mesmaintensidade da lu "roduida "ela l+m"ada de 7alog!nio. Contudo, a camada do $*idon%o ficou t%o uniforme (uanto "ara a(uela da clula do 4it 5an olar. )s segundasclulas solares (ue "roduiram mel7or energia foram a(uelas feitas com metanol. Esteresultado "ode estar relacionado com a estrutura cristalina do -i 2,uma ve (ue a

"erformance da clula solar de"ender, entre outros fatores, da rea de su"erf#cie domaterial meso"oroso -i2/C--X)XH, 2019.

Xaseando&se neste resultado, foram selecionadas as clulas solares (uea"resentaram mel7or "erformance, destacando&se: clula /4it 5an olar, -i2

solubiliado em cido actico dilu#do, tingida com flores de 7ibisco (ue a"resentou"rodu'%o de energia de m8? clula 6 /"igmento 5illenium, -i2solubiliado emcido n#trico, tingida com flores de 7ibisco a"resentando "rodu'%o de 1 m8 deenergia e a clula Z /egussa P&2, -i2solubiliado em metanol, tingida com suco deframboesa a"resentando Z m8 de "rodu'%o de energia. esta forma, estabeleceu&se(ue cido n#trico concentrado e metanol foram os solventes (ue "roduiram mel7oressu"erf#cies semicondutoras. O im"ortante ressaltar a influ!ncia do solvente na efici!nciado -i2, "ois (uando um cido utiliado, ele afeta diretamente na eficcia do materialsemicondutor, "ois seus "r$tons \"odem ser absorvidos na su"erf#cie do eletrodo,mel7orando a coleta de eltrons e "romovendo a liga'%o da tintura com o -i 2/ED, 2012.

Cara#$eria78o ele$ro;u


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"rocesso de caracteria'%o de uma clula solar geralmente envolve medir acorrente e a ca"acit+ncia como uma fun'%o de uma voltagem de corrente diretaa"licada, "ara obter curvas de corrente em fun'%o da voltagem /8 e "ot!ncia em

fun'%o da voltagem /P8, como mostradas na figura 2, onde "oss#vel visualiar amel7or curva 8 e P8 obtidas, referente ; clula Z /5E-FC, 2011.

Jigura 2 [ Curvas 8 e P8 "ara clulas solar Z, feita com o 4it 5an olar utiliandosuco de framboesa como corante.

Estas curvas foram obtidas sob uma l+m"ada de 7alog!nio /1 S, onde o"otencial m*imo /Pma* gerado "ela clula o "onto mais alto da curva P8, "ara estaclula o valor encontrado foi de 2,10 * 10 &S. Con7ecido o valor de Pma*, foi "oss#veldeterminar a efici!ncia de convers%o da clula solar / , "or meio de uma e(ua'%o(ue relaciona o "otencial a"licado "ela l+m"ada sobre a clula /P in e o "otencial gerado

"ela mesma /Pma*, conforme mostrado na E(ua'%o 1, obtendo&se um valor de 0,A< deefici!ncia, o (ue sugere (ue a intera'%o entre a corante e o material semicondutor n%ofoi eficiente, como mostrado em outros estudos /=5E-FC, 2011.

=Pmax

Px100

/1s "ontos na curva (ue s%o e(uivalentes a esse valor s%o denominados correntee voltagem na "ot!ncia m*ima /m" e 8m". ) corrente de curto&circuito /sc e o

"otencial de circuito aberto /8oc s%o os "ontos em (ue a curva 8 toca os ei*os * e ].Hma ve (ue esse valores s%o determinados "oss#vel calcular o Jator dePreenc7imento /(uadricularidade da curva atravs da E(ua'%o 1, (ue fornece um valorda eficcia de funcionamento da clula /5E-FC, 2011.

FP=(Imp ) (Vmp)

(Isc ) (Voc )

/2 valor de JP encontrado "ara a clula Z foi de 0,6, o (ue significa (ue ela

cerca de 6< similar a uma clula ideal.

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C)NCUS=ESs resultados obtidos demonstraram (ue "oss#vel "roduir clulas solares

utiliando materiais de bai*o custo, com desta(ue es"ecial "ara as tinturas utiliadas a

"artir de flores de 7ibisco e suco de framboesa. Estudo sobre a intera'%o entre essastinturas e materiais semicondutores deve ser realiado no intuito de definir o mel7orcorante natural. uso de "rodutos da regi%o tais como a'a#, ca'ari e outros frutos ricosem antocianinas, "oderia ser e*ecutado "ara verificar a efici!ncia desses "rodutos comocorantes.

AGRADECIMEN3)S^ C)PE "ela bolsa concedida, ao - "or oferecer su"orte "ara a realia'%o desta

"es(uisa e aos doutores _o7n Colleran e 5ic7ael eer] "elo a"oio.

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