Construção e Caracterização de Células Solares 

Uma vez que a demanda por energia é crescente no planeta, buscam-se alternativas para o desenvolvimento de fontes energéticas sustentáveis, eficientes e de baixo custo, como a conversão de energia solar em energia elétrica através de células fotovoltaicas. A energia solar fotovoltaica aparece então como uma maneira viável de uso de energia renovável, apesar dos custos serem maiores comparados a outras fontes. Estes custos de produção têm diminuído ao longo dos anos e tem-se buscado o desenvolvimento de células solares mais baratas e eficientes, como as células solares sensibilizadas por corantes orgânicos (DSSC’s – Dye Sensitized Solar Cells).

As DSSC’s são compostas por estruturas semicondutoras nanoestruturadas, como os óxidos semicondutores TiO2 (Dióxido de Titânio), Nb2O5 (Pentóxido de Nióbio) e ZnO (Óxido de Zinco), sobre as quais é feita a aplicação de um corante orgânico (vários corantes diferentes extraídos de frutas e vegetais diferentes são utilizados neste projeto), que terá a função de absorver os fótons de luz e, uma vez que o mesmo seja excitado, transferirá elétrons até a superfície condutora, obtendo assim o efeito fotovoltaico.

Este trabalho é sendo desenvolvido no Laboratório de Física Experimental e Aplicada (LaFEA) no CEFET/RJ e envolve a construção e montagem das DSSC’s, além da caracterização dos filmes obtidos. Para a caracterização, são feitas análises no MEV (Microscópio Eletrônico de Varredura), AFM (Microscópio de Força Atômica), FTIR (Interferometria por Transformada de Fourier) e, através de um multi-potenciostato associado a um Simulador Solar, são geradas curvas de corrente versus tensão (curvas I x V).

INTRODUÇÃO

As células fotovoltaicas são dispositivos que absorvem a energia da luz solar e convertem em energia elétrica. Elas são consideradas uma tecnologia sustentável de abastecimento e constituem uma fonte não poluente, de baixo custo e facilidade de instalação. São usadas principalmente em situações onde a energia elétrica da rede não está disponível, como em sistemas de potência, telecomunicações, áreas remotas, satélites, sondas espaciais, pequenos dispositivos eletrônicos, zonas de mineração, plataformas de petróleo e indústrias. O uso doméstico de pequeno porte também pode ser empregado, além de poder funcionar em locais remotos, o que dá bastante versatilidade a esse tipo de tecnologia. Uma das aplicações é o bombeamento de água em áreas distantes, suprindo a demanda de populações carentes.

Grande parte das células solares fabricadas utiliza como material semicondutor o silício. Sendo este elemento o segundo mais abundante no globo terrestre, ele tem sido explorado sob diversas formas: monocristalino, policristalino e amorfo, e sua eficiência alcança até 20% em condições de laboratório, o que torna o uso de energia fotovoltaica em grande escala economicamente inviável, uma vez que os fenômenos físicos inerentes ao processo de conversão contêm perdas de eficiência, diminuindo assim o rendimento do dispositivo e tornando a energia gerada mais cara ao consumidor, o que leva a diversos estudos na tentativa de desenvolvimento de células solares mais baratas e com eficiência mais alta. Nesse contexto, uma alternativa seria o desenvolvimento de células solares fotovoltaicas orgânicas, conhecidas como células de Grätzel. Porém, em relação às células de silício, as células solares orgânicas apresentam baixa eficiência energética, uma vez que estudos recentes apontam como melhor eficiência alcançada para as células solares orgânicas uma faixa de 11-12%. Possivelmente o principal motivo da perda de eficiência encontrada esteja, provavelmente, no processo de difusão dos elétrons através dos poros do eletrodo, que ocorre de forma mais eficiente nas células tradicionais de silício.

Apesar de apresentar eficiência mais baixa, a tecnologia baseada nas células solares sensibilizadas por corantes (DSSC's) é uma forma atrativa para a geração de energia, devido ao seu custo reduzido, além do uso de materiais mais leves, o que facilita bastante a instalação das mesmas, podendo ser aplicadas não só em localidades remotas, mas também para uso no perímetro urbano, sendo assim uma fonte de energia renovável, de baixo custo e de fácil aplicação. O uso de corantes orgânicos na sensibilização do anodo possibilita a absorção de luz de vários comprimentos de onda, além de luz difusa, o que traz maiores possibilidades, já que podem ser usadas ao anoitecer ou em ambientes fechados. 

1.1 – Efeito Fotovoltaico

O efeito fotovoltaico é caracterizado pela geração de uma corrente elétrica após a exposição de um material à luz. Este efeito foi observado pela primeira vez em 1839 por Alexandre-Edmond Becquerel, quando o mesmo notou o aparecimento de uma tensão entre os eletrodos de uma solução condutora quando esta era iluminada pela luz solar.  Este efeito só foi explicado em 1905, por Albert Einstein.

O material semicondutor, em que ocorre o efeito fotovoltaico, é caracterizado por conduzir eletricidade de forma mais efetiva que os isolantes e menos efetiva que os condutores. Neste material, existe a presença de faixas de energia em que se permite a presença de elétrons (banda de valência) e outra completamente vazia (banda de condução). Entre as duas bandas existe um ou intervalo de energia, que determina se o material é condutor, semicondutor ou isolante.

Figura 1: Bandas de Condução e Valência em Diferentes Materiais

Os materiais isolantes possuem um intervalo de energia da ordem de 6 eV, enquanto os semicondutores apresentam um intervalo de energia da ordem de 1 eV. Desta maneira, os elétrons são transferidos da banda de valência para a banda de condução, de acordo com a energia que o mesmo recebe, devendo esta ser suficiente para que haja a transferência de elétrons após a exposição à radiação solar.

Uma célula solar fotovoltaica de silício é constituída basicamente por uma junção PN. Como o silício possui quatro elétrons que se ligam aos seus vizinhos, se adicionarmos a esta rede átomos de cinco elétrons de ligação como, por exemplo, o fósforo (P), haverá um elétron em excesso, que poderá ser deslocado para a banda de condução. Se forem introduzidos átomos de três elétrons de ligação, como o Boro (B), haverá a falta de um elétron para satisfazer as ligações com os átomos de silício da rede, e desta forma será formada uma lacuna, que poderá ser ocupada por um elétron vizinho. Este processo é caracterizado como dopagem e diz-se que o fósforo é um dopante doador de elétrons (dopante tipo N), enquanto que o Boro é um dopante receptor de elétrons (dopante tipo P).

Figura 2: Dopagem do Silício (tipos P e N)

O chamado efeito fotovoltaico é verificado quando um fóton com energia superior ao intervalo de energia do material semicondutor atinge a região do emissor (junção N) da junção PN. Se o comprimento de difusão for grande o suficiente, ele chegará até a região de depleção da junção PN e será acelerado pelo campo elétrico presente nessa região, alcançando a região da base (tipo P) da junção PN. Este processo cria uma diferença de potencial entre emissor e base, e uma corrente elétrica passa a fluir através dos mesmos, uma vez que seja mantida a incidência de radiação luminosa sobre a junção PN.

 1.2 – Células Fotovoltaicas

Células fotovoltaicas ou solares são dispositivos de estado sólido que utilizam o efeito fotoelétrico para a conversão de radiação solar em energia elétrica. A primeira célula fotovoltaica foi construída em 1883 e utilizava o selênio como material condutor. Estas células possuíam uma eficiência em torno de 1% e um alto custo. As primeiras patentes para células solares foram obtidas aproximadamente em 1920, por Walter Snelling e Walter Schottky. Em 1954, a primeira célula solar de junção PN foi desenvolvida nos Laboratórios Bell, nos Estados Unidos da América, para a implementação de alimentação de satélites de comunicação, e em 1970, foi adaptada para aplicações terrestres por Elliot Berman.

Para o suprimento de energia elétrica durante a crise mundial de energia, as células solares foram efetivamente implantadas em aplicações terrestres, entre os anos de 1973 e 1974. Desta maneira, intensificaram-se os estudos e desenvolvimento de células solares com menores custos e maiores rendimentos. Hoje em dia as células solares apresentam um rendimento médio de 16%, porém existem células com rendimento de até 28%, como as de arseneto de gálio, que apresentam alto custo, o que limita a sua produção.

As células fotovoltaicas mais utilizadas são as fabricadas a partir do silício e podem ser classificadas de acordo com a sua estrutura molecular: monocristalinas, policristalinas e silício amorfo, conforme mostrado na Figura II.7. As células de silício monocristalino são produzidas a partir de barras cilíndricas e possuem eficiência superior a 12%. As policristalinas são produzidas a partir de blocos de silício obtidos por fusão e apresentam eficiência de conversão ligeiramente menor que as células de silício monocristalino, já as células de silício amorfo são obtidas por meio de deposição de camadas finas de silício sobre superfícies de vidro ou metal, e apresentam eficiência em torno de 5 a 7%.

Figura 3: Etapas de Fabricação de uma Célula Fotovoltaica de Silício Monocristalino

1.3 – DSSC’s

As células solares sensibilizadas por corantes (Dye Sensitized Solar Cells - DSSC's) são pertencentes ao grupo de células solares híbridas, pois são formadas por materiais orgânicos e inorgânicos. Seu princípio de funcionamento é baseado na interação entre um corante, um anodo fotossensibilizado, composto por um material semicondutor nanoporoso, um eletrólito, um catodo foto-eletroquímico e dois substratos de vidro recobertos por uma camada condutora e transparente (filme TCO - Tranparent Conductive Oxide).

Estes dispositivos são mecanicamente resistentes, fabricados com material de baixo custo e possuem grande facilidade de processamento se comparadas às células solares de silício que são comercializadas atualmente. Podem ainda ter sua aplicação ampliada pois são mais leves e podem ser produzidas sob substratos flexíveis e ainda pode ser coloridas, de acordo com o corante utilizado.

Estas células solares foram inventadas por Michael Grätzel e Brian O'Regan na École Polytechnique Féderale de Lausanne em 1991, e por isso são conhecidas como células solares de Grätzel.  As células desenvolvidas pelo grupo do Prof. Grätzel utilizavam o TiO2 nanocristalino (anatase), de área superficial bastante alta e demonstraram eficiência de conversão de 7,9%, utilizando um simulador solar e 12% em luz difusa, fotocorrente na ordem de 12 mA/cm2 e estabilidade de 5 milhões de ciclos sem decomposição. A eficiência das DSSC's atingiu 10% em 1993, e atualmente é possível obter-se 11% de eficiência usando eletrólito líquido e 5% usando eletrólito polimérico.

No caso das células tradicionais de silício, a recombinação entre elétrons e buracos ou lacunas ocorre dentro dos cristais e pode ocorrer perdas por recombinação, ainda que a células opere em curto-circuito. Já no caso específico das DSSC's, a recombinação ocorre apenas na superfície, o que impede a recombinação em curto-circuito. Essa superfície semicondutora possui o nível de energia de Fermi próximo à banda de valência, caracterizando um semicondutor tipo N, que em contato com um eletrólito que possui potencial redox positivo, faz com que os elétrons fluam do semicondutor para a solução.

Para o bom funcionamento de uma DSSC a luz solar deve passar através do substrato de vidro, do filme condutor e atingir o corante adsorvido na superfície da molécula do óxido semicondutor. O óxido semicondutor (TiO2, Nb2O5 ou ZnO) absorve apenas uma pequena fração de fótons provenientes da luz solar (na região do UV). Os fótons que atingirem o corante e tiverem energia suficiente para serem absorvidos, criam um estado excitado no corante, de onde um elétron pode ser ejetado e ir diretamente para a banda de condução do mesmo. Dois eletrodos (o anodo de dióxido de titânio, pentóxido de nióbio ou óxido de zinco e o catodo de platina ou grafite na célula Grätzel) são colocados em cada um dos lados de um condutor líquido (o eletrólito). 

Figura 4: Princípio de Funcionamento de uma DSSC

O corante representa o elemento principal das DSSC's e exerce a função de recepção dos fótons e sensibilização do anodo, de forma que o mesmo deve absorver o máximo possível de radiação em todo espectro solar, ligar-se fortemente à superfície semicondutora, além de um potencial redox adequado e ser estável por vários anos de exposição solar.  No entanto, a maioria dos polímeros semicondutores tem gap de energia maior do que 2.0 eV (620 nm), o que limita a absorção de fótons solares em torno de 30%. Dentre os corantes naturais, destacam-se os flavonoides e antocianinas, que podem ser encontrados em flores, folhas e frutos. Esses corantes possuem absorção de radiação na faixa de luz visível, no intervalo de 520 a 560 nm.

O material semicondutor da célula de Grätzel funciona como um receptor dos elétrons gerados pela luz no corante excitado, uma vez que esses elétrons, após serem gerados no corante, são injetados na banda de condução do óxido semicondutor, resultando em um fluxo de corrente no filme.

A ocupação da lacuna que fica no corante oxidado após o elétron ser injetado na banda de condução do material semicondutor é realizada pela reação com o par redox (I3-/I-) que existe no eletrólito, pois o iodeto (I-) oxida gerando triodeto (I3-) e causa a ocupação da lacuna gerada no corante.  Após essas reações químicas, o eletrólito sofre uma reação de redução no contraeletrodo da célula solar. 

2.1 – Preparação e Montagem das Células 

No LaFEA são produzidas células solares sensibilizadas por corantes (Dye Sensitized Solar Cells), de agora em diante denominadas DSSC’s, constituídas de duas placas de vidro ITO, que são placas de vidro recobertas com uma película fina e transparente de óxido de índio dopado com estanho em um de seus lados, sendo assim, um dos lados da placa é condutor com baixa resistividade, já o outro é isolante.

Os outros constituintes das células produzidas em nosso laboratório são o eletrólito a base de iodo e polivinilpirrolidona (PVP), os semicondutores nanocristalinos que recobrem o anodo, sendo que atualmente estamos realizando testes com o óxido de titânio (TiO2), o pentóxido de nióbio (Nb2O5) e o óxido de zinco (ZnO), o corante natural, que pode ser produzido com frutas, vegetais, legumes, flores, temperos orgânicos, etc.

Figura 5: Preparação e montagem das DSSC’s no LaFEA

Figura 6: Esquema de uma célula DSSC em corte

Figura 7: DSSC montada

2.2 – Caracterização 

A fase de caracterização é quando são realizadas diversas análises, a fim de se obter propriedades e aspectos de cada célula, tais como eficiência, morfologia, espessura e outras características do dispositivo.

Nesta pesquisa, os equipamentos usados para os estudos mencionados são Potenciostato, para gerar as curvas características I-V, pela qual pode-se determinar a eficiência, a corrente de curto circuito e a tensão de circuito aberto; Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV), Microscopia de Força Atômica (AFM) e Interferometria por Transformada de Fourier (FTIR) para a análise morfológica e cálculo da espessura.

Figura 8: Sistema de caracterização eletroquímica, com Simulador Solar e Potenciostato.