Obtenção e caracterização de filmes para aplicação como eletrodos em células solares sensibilizadas por corantes

Abstract

A conhecida necessidade de aumentar continuamente a produção de energia enquanto se reduz o nível de emissões de gases do efeito estufa tem atraído o crescente interesse por fontes renováveis de energia de baixa emissão. A matriz energética dos países desenvolvidos e em desenvolvimento deve passar por uma grande transformação nos próximos anos, diminuindo progressivamente o uso de combustíveis fósseis e outras fontes poluentes. Células fotovoltaicas se apresentam como uma alternativa interessante para geração de energia em larga escala com baixo impacto ambiental associado à sua operação. Células solares sensibilizadas por corante foram construídas pela primeira vez no começo da década de 1990 e se mostraram uma interessante alternativa às células tradicionais, utilizando materiais de baixo custo e técnicas produtivas simples. Desde então, centenas de materiais têm sido estudados para aplicações nestes sistemas. Neste trabalho, duas técnicas de deposição de filmes foram selecionadas para a produção de eletrodos para aplicação em células solares sensibilizadas por corante: screen printing e Combustão de Solução Aspergida (CSA). Os materiais escolhidos foram ZnO para o fotoânodo e grafite para o contra eletrodo. Os filmes foram caracterizados quanto à fase obtida e microestrutura. Protótipos de célula foram construídos com algumas amostras produzidas pela técnica de screen printing, sendo estes caracterizados eletroquimicamente pela técnica de Espectroscopia de Impedância Eletroquímica. Foi possível obter filmes homogêneos com tamanho de partícula reduzido e porosidade adequada, parâmetros considerados apropriados para a aplicação fotovoltaica, a partir de ambos os processos de deposição. A deposição de filmes de ZnO pela técnica de CSA é registrada pela primeira vez, destacando-se por apresentar espessura reduzida em relação aos filmes obtidos por screen printing. Os protótipos de células apresentaram resultados comparáveis aos observados na literatura, indicando uma sinergia satisfatória dos materiais selecionados, embora a resistência total ainda seja elevada devido à grande espessura dos eletrodos. A técnica de CSA para deposição de filmes de ZnO apresentou resultados promissores, logo, a otimização dos parâmetros de deposição para serem utilizados em células semelhantes deve ter continuidade.

The widely known need for continually expanding energy production while, at the same time, decreasing the level of greenhouse gases emissions has increased interest for renewable energy sources with lower associated emissions. The energy matrix of both developed and developing nations is bound for a great transformation in the coming years, with a progressive reduction of the use of fossil fuels and other pollutant sources. Photovoltaic cells are presented as an interesting alternative for large scale energy production, having low environmental impact associated with their operation, as well as being proper for distributed generation applications. The sector has seen an expressive growth in the last decades, from both business and technological development points of view. Dye-sensitized solar cells were first built in the 1990’s and have proven to be an attracting alternative to the traditional high purity Si-based cells, as they employ lower cost materials and simpler productive processes. Even with lower conversion efficiencies, they present a potentially favorable price-performance ratio. Since their inception, hundreds of materials have been studied for application in such systems. In the present work, two film deposition techniques were selected to produce electrodes for DSSC application: screen printing and Airbrushed Solution Combustion (ASC). ZnO was chosen as the photoanode material while graphite was chosen as the counter electrode material, both identified as low-cost replacements for TiO2 and platinum, respectively. Films were characterized to identify the obtained phases and their microstructure. Cell prototypes were built with samples obtained via screen printing technique and characterized by Electrochemical Impedance Spectroscopy. The selected deposition methods were successful in obtaining films of the desired materials. Both processes produced homogeneous films with reduced particle size and appreciable porosity, parameters that make them viable for photovoltaic applications. The deposition of ZnO films by the ASC method was recorded for the first time, presenting considerably lower thickness than films obtained by screen printing. The flow rate of the precursor solution was considered the most important factor in the deposition of the monophasic oxide on the conductive glass substrate, coupled with a subsequent thermal treatment. Cell prototypes presented results which were comparable to the ones found in literature, signaling a satisfactory synergy between selected materials, even though the cell total high resistance may be due to relatively high electrode thickness. The optimization of ASC method parameters for ZnO film deposition should be continued in order to produce electrodes for DSSC.