Células solares sensibilizadas por corante
Fonte: Tamara M. Powers, Departamento de Química da Texas A&M University
O mundo moderno de hoje requer o uso de uma grande quantidade de energia. Enq…
1. Preparação da pasta TiO2
- Masse 6 g de pó de TiO2 coloidal, e coloque-o em uma argamassa.
- Adicione cuidadosamente 2-3 mL de vinagre ao TiO2, e comece a moer a suspensão com o pilão até que uma pasta uniforme seja obtida. A moagem serve para quebrar aglomerados agregados no pó.
- Continue adicionando vinagre, em ~ incrementos de 1 mL durante a moagem, até ~ 9 mL de volume total. Antes de cada adição, a consistência da pasta deve ser uniforme e livre de caroços. A pasta final deve ser grossa, mas não tão grossa que não possa ser espremida de uma garrafa de caixas.
- Adicione 1 gota de sabão de prato a 1 mL de água destilada, misture delicadamente.
- Adicione a solução de sabão de prato à suspensão TiO2 e misture delicadamente, tomando cuidado para não produzir bolhas.
- Deixe a suspensão equilibrar por 15 minutos. O sabão de prato serve como um surfactante, para ajudar a tornar a suspensão mais facilmente espalhada em um filme uniforme no vidro.
2. Deposição de TiO2 no Vidro
- Limpe dois slides de vidro condutores. Mergulhe um kimwipe com etanol e use-o para limpar duas lâminas de vidro condutoras. Coloque os slides limpos em um kimwipe fresco.
- Determine qual lado do vidro é condutivo. Usando um conjunto de multímetros para ohms, toque ambos leva a um lado do vidro. Se uma leitura entre 10 e 30 Ω é observada, é o lado condutor. Uma leitura de 0 Ω indica o lado não condutor.
- Mascarar o slide. Coloque um deslizamento de vidro com seu lado condutor para cima e o outro com seu lado condutor para baixo. Mantendo cuidadosamente os slides tocando, fita os slides de vidro para o topo do banco. Coloque fita em três dos quatro lados dos slides, certificando-se de que ~ 5-8 mm do slide esteja coberto por fita em cada um dos três lados(Figura 4). Pressione a fita com firmeza, para garantir que não haja bolhas de ar.
- Aplique a pasta TiO2. Usando uma haste de vidro, aplique uma fina linha de pasta através da borda superior mascarada do slide. Use a haste de vidro para enrolar cuidadosamente a pasta pelo comprimento do slide e voltar para cima. Repita este movimento 2-3x sem levantar a haste, ou até que um filme uniforme seja obtido.
- Se o filme não for uniforme, basta limpá-lo com um kimwipe, limpar o vidro com etanol, e uma vez seco, tente novamente.
- Deixe o filme secar um pouco e, em seguida, remova cuidadosamente a fita do vidro. O slide com o filme TiO2 deve estar no lado condutor. O outro slide pode ser limpo e usado posteriormente.
- Anneal, o filme TiO2. Coloque cuidadosamente o slide (TiO2 lado para cima) em uma placa quente que está definida para 450 °C. Observe como o TiO2 escurece para uma cor roxa/marrom, e recupera sua cor branca. Neste ponto, desligue a placa de aquecimento e deixe o filme esfriar lentamente. Se o slide for resfriado muito rapidamente, ele pode quebrar ou quebrar.
- Com uma régua, meça a superfície coberta com o filme, e observe esse valor.
Figura 4. Depoimento de TiO2 em vidro.
3. Manche o filme TiO2 com corante
- Coloque algumas amoras, framboesas ou cerejas em uma argamassa e esmague-as com um pilão.
- Filtre a solução através de um filtro de café e em uma placa de Petri. Pode ser necessário adicionar alguns mL de água ao suco.
- Coloque o filme TiO2 resfriado, de lado para baixo na placa de Petri. Tenha cuidado para não riscar nenhum TiO2. Permita que o corante seja adsorvido no filme. Isso pode levar vários minutos.
- Uma vez que o filme esteja totalmente revestido (deve ser vermelho escuro ou roxo e não há manchas brancas), levante o slide com pinças (tenha cuidado apenas para endurecer o vidro e não o filme), e enxágue o escorregador com água, depois etanol. Borricar o filme seco com um kimwipe, e usar imediatamente.
- Se não for usado imediatamente, então armazene o filme em uma placa de Petri que contenha ácido acético no pH 3-5, e cubra a placa com a tampa e enrole em papel alumínio.
4. Prepare o eletrodo de contador
- Usando outra lâmina de vidro condutora, siga os passos 2.1-2.2.
- Aplique o catalisador de carbono no lado condutor. Usando pinças, segure o slide, lado condutor para baixo, sobre a ponta de um queimador Bunsen. Mova o slide para que a fuligem se colete em toda a superfície, mas por não mais do que 30 s. Deixe o slide esfriar e limpe a fuligem ao longo de um lado do escorregador com um cotonete.
- Alternativamente, usando um lápis HB, cubra toda a superfície condutora com grafite. Isso dá um eletrodo mais robusto, mas que tem um desempenho menos bom.
5. Montar a Célula Solar
- Seque o filme manchado. Enxágüe com etanol e coloque-o em um kimwipe. Limpe suavemente o filme com um segundo kimwipe. O filme deve estar seco para não impactar a solução de eletrólitos.
- Com o lado do filme de eletrodo para cima, coloque suavemente o eletrodo revestido de carbono em cima (cara de carbono para baixo). Certifique-se de compensar os slides para que as laterais expostas de ambos os eletrodos possam ser cortadas em fios. Coloque dois clipes de aglutinante nas laterais adjacentes ao vidro offset.
- Coloque algumas gotas da solução de eletrólitos ao longo de uma borda dos slides e abra/feche cuidadosamente cada lado da célula, abrindo/fechando alternadamente os clipes da pasta. Certifique-se de que toda a área manchada esteja em contato com a solução de eletrólitos e repita o passo 5.2, se necessário.
- Limpe o excesso de eletrólitos das áreas expostas usando kimwipes e etanol.
- Aperte clipes de jacaré para os dois lados expostos da célula solar.
6. Medição do desempenho celular
Nota: Idealmente, essas medidas devem ser feitas lá fora. No entanto, se o tempo não está permitindo, eles podem ser feitos dentro usando uma lâmpada halógena. Todas as medições devem ser feitas sem movimento da célula para que sejam realizadas em condições idênticas.
- Certifique-se de orientar a célula para que o filme TiO2 esteja voltado para o sol, e coloque uma tampa de policarbonato sobre a célula. Isso protege a célula contra danos uv.
- Conecte o eletrodo negativo (vidro revestido TiO2)ao fio negativo do multimetro, e o eletrodo positivo (C) ao fio positivo do ultrômetro(Figura 5).
- Coloque o multimetro em volts e meça a tensão. Este é o potencial do circuito aberto (tensão máxima em corrente zero). Cubra a célula (com uma mão ou um objeto sólido) para garantir que a tensão diminua.
- Defina o mímetro em miliamperes (mA) e meça a corrente máxima. Esta é a corrente de curto-circuito (corrente máxima a zero tensão). Cubra a célula com (com uma mão) para garantir que a corrente diminua.
- Registo uma curva de tensão de corrente completa usando um potencialiômetro de 500 Ω como carga variável.
- Determine qual o chumbo no potencialiômetro é a torneira central. Este chumbo permite que a resistência seja variada. Para isso, conecte o multímetro (definido para ohms) a dois dos leads no potencialiômetro, e varie a resistência no potencialiômetro. Observe se a resistência mudar. Repita isso com as outras duas combinações de leads. Alterações na resistência devem ser observadas em duas das três combinações. O chumbo que foi usado em ambas as combinações que deram mudanças é o toque central, e os outros dois são funcionalmente idênticos.
- Monte o circuito como mostrado na Figura 5 (à direita).
- Defina o potencialiômetro para a resistência completa (ou zero) e observe a corrente e a tensão.
- Altere a resistência no potencialiômetro em pequenos incrementos e observe a corrente e a tensão para que haja vários pontos que abrangem toda a gama do potencialiômetro. Certifique-se de não mover a célula durante essas medições. Uma vez que a corrente comece a mudar, certifique-se de coletar muitos pontos de dados; menos pontos de dados podem ser obtidos quando é constante.
Figura 5. Diagrama de circuito para medir o potencial de circuito aberto e a corrente de curto-circuito (esquerda, passos 6.3 e 6.4), e para gravar a curva I-V (direita).
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As células solares sensibilizadas por corantes são uma alternativa promissora à energia fotovoltaica semicondutora convencional e tornaram-se comercialmente viáveis nos últimos anos.
As células sensibilizadas por corante compensam sua menor eficiência, produzindo energia consistente de forma única, mesmo em altas temperaturas e altos ângulos de incidência de fótons, produzindo quase 50% mais energia do que as células solares de silício sob pouca luz. Eles são consideravelmente mais fáceis de fabricar e podem usar pigmentos naturais e abundantes à base de plantas como corantes. Este vídeo ilustra a operação de células solares sensibilizadas por corantes, demonstra um procedimento elementar para a criação de amostras de teste em laboratório usando pigmentos vegetais e discute algumas aplicações.
Todas as células solares dependem da capacidade da luz de doar energia aos elétrons para produzir correntes elétricas.
Em átomos individuais, os elétrons estão confinados a níveis discretos de energia. No entanto, quando absorvem fótons de luz, os elétrons ascendem temporariamente a níveis de energia mais altos, deixando um buraco no nível inferior.
Quando dois átomos estão próximos, eles perturbam os elétrons um do outro. Isso cria novos níveis de energia que os elétrons podem ocupar. À medida que átomos adicionais são adicionados, mais níveis de energia se formam, acabando por se aglutinar em bandas de energia densas.
Em semicondutores, os níveis de energia desocupados formam uma banda de condução de alta energia, enquanto os níveis ocupados formam uma banda de valência de baixa energia. A diferença de energia é conhecida como "energia bandgap". Se um fóton com energia bandgap atingir um elétron, o elétron será promovido, deixando um buraco para trás. Tanto o elétron quanto o buraco podem ser conduzidos de átomo para átomo até que se recombinem.
Agora que vimos como os semicondutores absorvem a energia da luz, vamos ver como podemos aproveitar esse fenômeno em uma célula solar sensibilizada por corantes.
Ao contrário das células solares de silício, as células solares sensibilizadas por corante separam o processo de absorção de luz do processo de transmissão de corrente, para diminuir a taxa de recombinação.
A célula contém um corante sensibilizador, uma camada semicondutora, um eletrólito e dois eletrodos. O semicondutor é um dielétrico estável, como o anatase TiO2. O eletrólito é tipicamente um iodeto orgânico e o contra-eletrodo um material resistente à corrosão e ao calor, geralmente platina ou carbono.
O semicondutor é mesoporoso e contém uma monocamada de corante adsorvido. Quando um elétron corante é excitado por um fóton, ele é imediatamente injetado na banda de condução do semicondutor.
O semicondutor transporta o elétron para o fotoeletrodo e, por sua vez, para o circuito. O elétron retorna através do contra-eletrodo, onde o eletrólito gasto é reduzido, completando o ciclo.
Corantes eficazes respondem a todo o espectro visível. Os primeiros corantes incluíam complexos orgânicos de rutênio. Estes fornecem alta conversão para o infravermelho, mas são caros e difíceis de produzir. Pigmentos fotossensíveis à base de plantas, como carotenóides e antocianinas, são mais abundantes e práticos, embora menos eficientes.
Esses são os princípios. Agora vamos examinar um procedimento operacional elementar no laboratório.
O procedimento demonstrado aqui permite que células solares sensibilizadas por corantes sejam rapidamente fabricadas e testadas, usando apenas precursores comuns e materiais de laboratório.
Comece adicionando 6 g de pó de anatase TiO2 a um pilão. Adicione 2-3 mL de vinagre e triture a suspensão para quebrar os caroços. Adicione vinagre iterativamente em incrementos de 1 mL e triture, até que um total de 9 mL tenha sido adicionado. A pasta deve, em última análise, ser uniforme.
Em seguida, produza uma solução surfactante misturando suavemente uma gota de detergente com 1 mL de água destilada. Misture delicadamente a solução de surfactante na pasta, tomando cuidado para não produzir bolhas. Deixe a suspensão se equilibrar
Limpe duas lâminas de vidro condutor revestidas com SnO2 usando um pano de baixo fiapo embebido em etanol. Use um multímetro para encontrar seus lados condutores. O lado condutor deve ter uma resistência de 10-30 ?.
Cole as lâminas na bancada, um lado condutor para cima e o outro lado condutor para baixo, de modo que 5-8 mm sejam mascarados e não haja bolhas de ar. Usando uma haste de vidro, aplique uma linha fina e uniforme de pasta na borda superior do lado condutor. Deixe o filme secar um pouco e remova a fita.
Seque a lâmina colocando-a em uma placa quente, com o lado condutor voltado para cima. O filme primeiro escurecerá para um marrom-púrpura e depois embranquecerá. Quando isso ocorrer, desligue a placa de aquecimento, mantendo a corrediça na parte superior. Depois de esfriar até a temperatura ambiente, registre a área da superfície do filme.
Para preparar o contra-eletrodo, limpe uma segunda lâmina de vidro condutora. Aplique o catalisador de carbono no lado condutor. Segure o lado condutor com uma pinça sobre uma chama de isqueiro. Deixe a fuligem se acumular por no máximo 30 segundos. Reoriente o slide com a pinça e cubra o canto restante com fuligem da mesma maneira, certifique-se de que todo o slide esteja coberto.
Agora que os eletrodos foram preparados, vamos construir a célula solar sensibilizada por corante.
Use uma espátula para esmagar algumas framboesas, amoras ou cerejas em um copo. Em seguida, filtre a solução em uma placa de Petri usando um filtro de café, adicionando algumas gotas de água destilada se necessário.
Usando uma pinça, coloque o fotoeletrodo na placa de Petri, com o lado condutor voltado para baixo, tomando cuidado para não arranhar o filme. Quando a coloração estiver concluída, retire cuidadosamente a lâmina e verifique se não há manchas brancas visíveis. Enxágue a lâmina com etanol e seque.
Coloque o contra-eletrodo voltado para baixo no filme, mantendo um deslocamento entre as lâminas. Prenda os clipes de fichário nas bordas do slide. Coloque algumas gotas de eletrólito ao longo da borda e deixe-o escorrer sobre o filme abrindo levemente os clipes do aglutinante. A célula agora está pronta para operação.
Prepare-se para medir o desempenho da célula sob uma lâmpada halógena. Oriente a célula de forma que o fotoeletrodo fique voltado para a lâmpada halógena. Use um multímetro para medir o potencial de circuito aberto e a corrente de curto-circuito.
Em seguida, conecte a célula a um 500 ?? potenciômetro para criar o circuito mostrado no protocolo de texto. Aumente sequencialmente a resistência através do potenciômetro e use o multímetro para medir a tensão e a corrente.
Os dados coletados são usados para criar uma curva de corrente-tensão, que descreve a conversão de energia solar da célula solar e sua eficiência solar.
O ponto onde a curva cruza o eixo x é chamado de tensão de circuito aberto, que é a tensão máxima em corrente zero. O ponto de corrente máxima em 0 V aparece no gráfico onde a curva cruza o eixo y.
O ponto de potência máxima (MPP) ocorre no "joelho" da curva e fornece as condições de tensão e corrente para o funcionamento ideal da célula solar. O MPP das curvas de corrente-tensão fornece um meio de comparar o desempenho de diferentes células solares. A tensão de circuito aberto medida neste experimento pode atingir valores de 0,5 volts e um potencial de curto-circuito de 1-2 mA/cm2 .
As células solares sensibilizadas por corantes são valiosas em aplicações de nicho, e a abordagem neste vídeo permite a prototipagem rápida de células com novos corantes.
Como as células solares sensibilizadas por corante produzem alta potência com pouca luz, elas são úteis para "coleta de luz", a reutilização de luz interna para alimentar sensores, etiquetas de identificação, transmissores de dados e muito mais. Uma maneira de conseguir isso é desenvolver corantes que introduzem níveis de energia dentro do bandgap, a partir do qual os elétrons podem se converter na banda de condução. Empiricamente, isso dobrou a conversão de fótons em elétrons em comprimentos de onda do infravermelho próximo, substituindo uma única absorção de alta energia por duas absorções de baixa energia.
Células sensibilizadas por corante são usadas para a produção de janelas fotovoltaicas, onde microesferas de vidro ocas de TiO2 são adicionadas aos eletrodos para minimizar a poluição e manter a saída. Para isso, técnicas de fabricação acessíveis, como eletrofiação, podem ser usadas, onde uma pasta de TiO2 é injetada lentamente em um campo elétrico para produzir nanofibras para eletrodos de alto desempenho. Outra técnica de fabricação é a impressão a jato de tinta. Isso tem sido usado para depositar eletrodos em substratos de vidro, produzindo células com eficiências de 3,5%.
Você acabou de assistir à introdução de JoVE às células solares sensibilizadas por corantes. Agora você deve estar familiarizado com a operação de células sensibilizadas por corantes, um procedimento para gerá-las de forma barata no laboratório e algumas aplicações. Como sempre, obrigado por assistir!
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Q1: How do dye-sensitized solar cells differ from conventional silicon solar cells?
Dye-sensitized solar cells separate light absorption from current transmission, reducing electron-hole recombination. Unlike silicon cells, they produce consistent power at high temperatures and steep light angles, yielding nearly 50% more power under low light conditions. They are easier to manufacture and can use abundant plant-based pigments as dyes instead of expensive materials.
Q2: What happens when a photon excites an electron in a semiconductor?
When a photon with bandgap energy strikes an electron, the electron is promoted to the conduction band, leaving a hole in the valence band. Both the electron and hole can be conducted from atom to atom until they recombine. In dye-sensitized cells, the excited dye electron is immediately injected into the semiconductor's conduction band, preventing recombination.
Q3: What are the main components of a dye-sensitized solar cell?
A dye-sensitized solar cell contains a sensitizer dye, a mesoporous semiconductor layer like anatase TiO2, an organic iodide electrolyte, and two electrodes. The photoelectrode collects electrons from the excited dye, while the counter-electrode, typically platinum or carbon, completes the circuit. This configuration allows efficient charge separation and current generation.
Q4: Why are plant-based pigments useful for dye-sensitized solar cells?
Plant-based photosensitive pigments such as carotenoids and anthocyanins are abundant, practical, and inexpensive compared to organic ruthenium complexes. While less efficient than synthetic dyes, they respond across the visible spectrum and enable rapid prototyping of cells with novel dyes. Their natural availability makes them ideal for affordable, scalable solar cell fabrication.
Q5: What information does a current-voltage curve reveal about solar cell performance?
A current-voltage curve describes solar energy conversion efficiency and identifies three key performance points. The open circuit voltage is where the curve crosses the x-axis at maximum voltage with zero current. The maximum power point occurs at the curve's knee, providing ideal voltage and current conditions. These metrics allow comparison of different solar cell designs.
Q6: How can dye-sensitized solar cells be used for light harvesting applications?
Dye-sensitized solar cells yield high power under low light, making them valuable for harvesting indoor light to power sensors, ID tags, and data transmitters. Developing dyes that introduce energy levels within the bandgap enables electrons to upconvert into the conduction band. This approach has doubled photon-to-electron conversion in near-infrared wavelengths by replacing single high-energy absorption with two lower-energy absorptions.
Q7: What fabrication techniques improve dye-sensitized solar cell performance and transparency?
Electrospinning injects a TiO2 slurry into an electric field to produce nanofibers for high-performance electrodes. Inkjet printing deposits electrodes on glass substrates, achieving cell efficiencies of 3.5%. For photovoltaic windows, TiO2 hollow glass microspheres are added to electrodes to minimize pollution while maintaining output, enabling affordable manufacturing of transparent solar devices.