Células solares sensibilizadas por corante

Dye-sensitized Solar Cells

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Inorganic Chemistry

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Dye-sensitized Solar Cells

6.21: Electron Paramagnetic Resonance (EPR) Spectroscopy

6.29: Synthesis of an Oxygen-Carrying Cobalt(II) Complex

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10:30 min

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April 30, 2023

Overview

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. Enquanto aproveitamos a energia de combustíveis fósseis, como carvão e petróleo, essas fontes não são renováveis e, portanto, o fornecimento é limitado. Para manter nosso estilo de vida global, devemos extrair energia de fontes renováveis. A fonte renovável mais promissora, em termos de abundância, é o Sol, que nos fornece energia solar mais do que suficiente para abastecer totalmente nosso planeta muitas vezes.

Então, como extraimos energia do sol? A natureza foi a primeira a descobrir: a fotossíntese é o processo pelo qual as plantas convertem água e dióxido de carbono em carboidratos e oxigênio. Esse processo ocorre nas folhas das plantas, e conta com os pigmentos de clorofila que colorem as folhas verdes. São essas moléculas coloridas que absorvem a energia da luz solar, e essa energia absorvida que impulsiona as reações químicas.

Em 1839, Edmond Becquerel, então um físico francês de 19 anos experimentando no laboratório de seu pai, criou a primeira célula fotovoltaica. Ele iluminou uma solução ácida de cloreto de prata que estava ligada a eletrodos de platina que geravam uma tensão e corrente. ¹ Muitas descobertas e avanços foram feitos no final do século^XIX e primeiro semestre do século^XX, e foi apenas em 1954 que a primeira célula solar prática foi construída pela Bell Laboratories. A partir da década de 1950, as células solares eram usadas para alimentar satélites no espaço. ²

Células solares são dispositivos elétricos que utilizam a luz para criar uma corrente. Este vídeo demonstra a preparação e o teste de um desses tipos de célula, a célula solar sensibilizada por corante (DSSC). Inventado pela primeira vez na UC Berkeley por Brian O’Regan e Michael Grätzel, Grätzel prosseguiu este trabalho na École Polytechnique Fédérale de Lausanne, na Suíça, culminando no primeiro DSSC altamente eficiente em 1991. ³ Essas células solares, como as plantas, usam um corante para ajudar a aproveitar a energia do sol.

Principles

Teoria da banda:

Quando dois átomos se unem para formar orbitais moleculares, dois orbitais são formados, um com uma ligação e outro com uma simetria antibonding. ⁴ Estes são separados por uma certa quantidade de energia. Quando n átomos se unem para formar orbitais moleculares, como em um sólido, n orbitais moleculares se formam. Quando n é grande, o número de orbitais que estão intimamente espaçados em energia é igualmente grande. O resultado é uma faixa de orbitais de energia semelhante(Figura 1). Elétrons dos átomos residem nessas bandas. A banda valance é a banda de maior energia que é povoada com elétrons. É semelhante ao orbital molecular mais ocupado (HOMO) de moléculas. A faixa de condução é a banda mais baixa que não é povoada por elétrons, e é semelhante ao menor orbital molecular desocupado (LUMO) de moléculas. A diferença de banda é a diferença de energia entre essas duas bandas.

Quando a abertura da banda é grande, o material sólido é um isolador: os elétrons não podem fluir livremente dentro do material(Figura 1). Em contraste, os condutores são aqueles em que a faixa valance-condução é borrada. Em um maestro, como um metal, aplicar uma tensão eleva alguns dos elétrons na faixa de valência à banda de condução. Estes elétrons animados são livres para se mover. Os elétrons deixam para trás buracos positivos, que também são livres para se mover. Na realidade, os buracos não se movem, mas sim elétrons se movem para preencher os buracos positivos. Nos condutores, à medida que a temperatura aumenta, as vibrações moleculares aumentam, obstruindo assim o fluxo de elétrons e diminuindo a condutividade.

Os semicondutores são materiais que atuam como isoladores a 0 Kelvin, mas tornam-se condutores à medida que a temperatura aumenta(Figura 1). Isso ocorre porque a lacuna de banda – a energia entre a valência e a banda de condução – é pequena, de modo que a energia térmica é suficiente para excitar elétrons na banda de condução. Os semicondutores intrínsecos típicos incluem silício e germânio.

Figura 1. Diagrama de banda para um isolador, semicondutor e condutor. Bandas sombreadas são preenchidas com elétrons, enquanto as faixas brancas estão vazias. Elétrons discretos são indicados por uma esfera vermelha, enquanto buracos discretos são indicados por uma esfera branca.

Efeito fotovoltaico:

Quando a luz atinge um semicondutor, pode excitar um elétron da banda de valência até a banda de condução. Este elétron pode então recombinar com o buraco que deixou para trás, resultando em nenhum fluxo líquido de elétrons. Ou, ele pode se mover através do semicondutor, em torno de um circuito, e recombinar com um buraco na outra extremidade do circuito. Este fluxo de elétrons criados a partir da exposição à luz solar é chamado de efeito fotovoltaico. Este último cenário é desejado para gerar eletricidade e, portanto, os sistemas devem ser projetados para favorecer essa recombinação.

Uma maneira de favorecer isso é projetar células com uma junção p-n, ou seja,uma junção entre um semicondutor n-e p-doped. Estes são semicondutores pelos quais alguns dos átomos foram substituídos por átomos vizinhos na tabela periódica. Em semicondutores n-dopados, estes são substituídos por átomos que têm mais elétrons, e em semicondutores p-dopados, estes são substituídos por átomos que têm menos elétrons. Células solares “tradicionais” baseadas em silício fazem uso dessa abordagem.

No entanto, um tipo emergente de células solares são DSSC, muitas vezes referido como a célula Grätzel. ⁵ Estes são promissores na forma de serem semi-translúcidos, e seu custo é significativamente menor. Essas células solares ainda fazem uso de semicondutores, mas é um corante que é usado para absorver a luz do sol.

Componentes de um DSSC:

Existem muitos componentes para um DSSC, que é mostrado na Figura 2.

Tingir

Para promover o efeito fotovoltaico, um DSSC faz uso de corantes. A molécula de corante absorve a luz, promovendo um elétron de um orbital de ligação a um orbital anti-ligação. Este elétron animado pode então cair de volta para o orbital de ligação, resultando em nenhum fluxo de elétrons. Ou pode ser injetado em um semicondutor, o caminho produtivo de um DSSC. Isso deixa para trás um buraco, que deve ser preenchido para completar o circuito. Para o caminho produtivo, a energia do elétron de estado excitado no corante deve ser maior do que a faixa de condução do semicondutor. O corante também deve absorver grande parte do espectro solar, para melhorar a eficiência da célula. Corantes típicos são à base de rutênio (Ru) e, portanto, limita um DSSC, já que este metal não é muito econômico.

Neste experimento, estaremos utilizando um corante natural (antocianinas) encontrado em algumas frutinhas, como amoras e framboesas. A estrutura do corante de antocianina deve apresentar vários grupos =O ou -OH, que permitem que o corante se ligue à superfície Ti^IVO₂ (Figura 3). ⁶

Semicondutor

O elétron excitado então flui para a faixa de condução do semicondutor. O semicondutor que usaremos neste experimento é o TiO₂.

Ânodo

O elétron flui do semicondutor para o ânodo, que neste caso, é vidro revestido de SnO_2. O SnO₂ permite uma superfície condutora no vidro, que de outra forma seria um isolador.

Catodo

Depois de passar por uma carga, o elétron chega ao cátodo, que também é coberto em SnO₂. O cátodo é adicionalmente coberto com um catalisador, neste caso, grafite, que ajuda a promover a reação redox do mediador.

Mediador

O elétron passa do cátodo para i₃^–, reduzindo-o a I^–. Esta molécula reduzida pode então doar um elétron para o buraco deixado para trás na molécula de corante, completando o circuito. Este processo regenera I₃^–. A diferença entre o potencial^celular I₃^–/I e o nível de Fermi corresponde ao potencial do circuito aberto da célula solar, ou à tensão máxima que pode ser produzida com a célula.

Neste vídeo, um DSSC é preparado e seu desempenho é avaliado.

Figura 2. Esquema de um DSSC. A luz solar é absorvida pelo corante, levantando um elétron para um orbital anti-ligação no corante. Este elétron então se move para a banda de condução TiO_2, deixando para trás um buraco. O elétron gira em torno do circuito e passa por uma carga, e é usado para reduzir I₃^–para I^–, que é então oxidado de volta para I₃^–como o elétron preenche o buraco deixado no corante.

Figura 3. Pigmento de antocianina encontrado em algumas frutinhas vai sequim para a superfície_{tio 2.}

Procedure

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 TiO_2. 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.
1. 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 TiO_2. Coloque cuidadosamente o slide (TiO₂ lado para cima) em uma placa quente que está definida para 450 °C. Observe como o TiO_{2 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.
1. 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.
1. 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.
1. 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.
2. Monte o circuito como mostrado na Figura 5 (à direita).
3. Defina o potencialiômetro para a resistência completa (ou zero) e observe a corrente e a tensão.
4. 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).

As células solares sensibilizadas por corantes são uma alternativa promissora às fotovoltaicas semicondutoras convencionais e tornaram-se comercialmente viáveis nos últimos anos.

Células sensibilizadas por corantes compensam sua menor eficiência, produzindo energia consistente exclusivamente mesmo em altas temperaturas, e ângulos de alta 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 o funcionamento de células solares sensibilizadas por corantes, demonstra um procedimento elementar para a criação de amostras de teste no laboratório usando pigmentos vegetais e discute algumas aplicações.

Todas as células solares dependem da capacidade da luz de doar energia para elétrons produzirem correntes elétricas.

Em átomos únicos, elétrons estão confinados a níveis de energia discretos. No entanto, quando absorvem fótons de luz, os elétrons sobem 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, em última análise, se fundindo em bandas de energia densas.

Em semicondutores, os níveis de energia desocupados formam uma faixa de condução de alta energia, enquanto os níveis ocupados formam uma faixa de valência de baixa energia. A diferença de energia é conhecida como a “energia bandgap”. Se um fóton ter a energia de bandgap atinge um elétron, o elétron será promovido, deixando um buraco para trás. Elétron e buraco podem ser conduzidos de átomo a átomo até que eles recombinem.

Agora que vimos como os semicondutores absorvem 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 da transmissão atual, para diminuir a taxa de recombinação.

A célula contém um corante sensibilizador, uma camada semicondutor, 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, muitas vezes platina ou carbono.

O semicondutor é mesoporoso e contém uma monocamada de corante adsorte. Quando um elétron de corante é animado por um fóton, ele é imediatamente injetado na faixa de condução do semicondutor.

O semicondutor transmite o elétron para a fotoeletrídico, 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 no infravermelho, mas são caros e difíceis de produzir. Pigmentos fotosensíveis à base de plantas, como carotenoides e antocianinas, são mais abundantes e práticos, embora menos eficientes.

Esses são os princípios. Agora vamos examinar um procedimento de operação elementar no laboratório.

O procedimento aqui demonstrado permite que células solares sensibilizadas por corantes sejam rapidamente fabricadas e testadas, utilizando apenas precursores comuns e materiais de laboratório.

Comece adicionando 6 g de anatase TiO₂ pó a uma argamassa. Adicione 2-3 mL de vinagre e triture a suspensão para quebrar os caroços. Adicione iterativamente vinagre em incrementos de 1 mL e moagem, até que um total de 9 mL tenha sido adicionado. A pasta deve ser uniforme.

Em seguida, produza uma solução surfactante misturando suavemente uma gota de sabão de prato com 1 mL de água destilada. Misture suavemente a solução surfactante na pasta, tomando cuidado para não produzir bolhas. Permita que a suspensão se equilibre

Limpe dois slides de vidro condutores revestidos SnO₂ usando um lenço de fiapo baixo encharcado de etanol. Use um multimetro para encontrar seus lados condutivos. O lado condutor deve ter uma resistência de 10-30 Ω.

Fita os slides para o banco, um lado condutor para cima e o outro lado condutor para baixo, de tal forma que 5-8 mm são mascarados e não há bolhas de ar. Usando uma haste de vidro, aplique uma linha fina e uniforme de pasta através da borda superior do lado condutor. Deixe o filme secar ligeiramente, e remova a fita.

Seque o slide colocando-o em uma placa quente, lado condutor para cima. O filme primeiro escurecerá para um marrom-roxo e depois branqueado. Quando isso ocorrer, desligue a placa quente, mantendo o slide em cima. Depois de esfriar a temperatura ambiente, registo da superfície do filme.

Para preparar o contra-eletrodo, limpe uma segunda lâmina de vidro condutora. Aplique o catalisador de carbono ao lado condutor. Segure o lado condutor com pinças sobre uma chama mais leve. Deixe a fuligem coletar por não mais do que 30 segundos. Reoriente o slide com a pinça e cubra o canto restante com fuligem da mesma forma, certifique-se de que todo o slide esteja coberto.

Agora que os eletrodos foram preparados, vamos construir a célula solar sensibilizada por corantes.

Use uma espátula para esmagar algumas framboesas, amoras ou cerejas em um béquer. Em seguida, filtre a solução em uma placa de Petri usando um filtro de café, adicionando algumas gotas de água destilada, se necessário.

Usando pinças, coloque a fotoeletrroda na placa de Petri, lado condutor para baixo, tomando cuidado para não riscar o filme. Quando a coloração estiver completa, retire cuidadosamente o slide e verifique se não há manchas brancas visíveis. Enxágüe o deslizamento no etanol e enxugue a mancha.

Coloque o eletrodo do contador de cara para baixo sobre o filme, mantendo um deslocamento entre os slides. Conecte os clipes do aglutinante às bordas de slides. Coloque algumas gotas de eletrólito ao longo da borda, e deixe-o infiltrar sobre o filme abrindo ligeiramente os clipes de aglutinante. A cela está pronta para operação.

Prepare-se para medir o desempenho da célula sob uma lâmpada halógena. Oriente a célula para que a fotoelerodia esteja voltada para a lâmpada halógena. Use um multimetro para medir o potencial do circuito aberto e a corrente de curto-circuito.

Em seguida, conecte a célula a um potencialiômetro de 500 Ω para criar o circuito mostrado no protocolo de texto. Aumentar sequencialmente a resistência através do potencialiômetro e usar o multidisciplinar para medir a tensão e a corrente.

Os dados coletados são usados para criar uma curva de tensão atual, 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 power point máximo (MPP) ocorre no “joelho” da curva e fornece a tensão e as condições de corrente para o funcionamento ideal da célula solar. O MPP das curvas de tensão atual fornece um meio de comparar o desempenho de diferentes células solares. A tensão do circuito aberto medida neste experimento pode atingir valores de 0,5 volts e um potencial de curto-circuito de 1-2 mA/cm² .

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.

Uma vez que as células solares sensibilizadas por corantes produzem alta potência sob pouca luz, elas são úteis para a “colheita de luz”, o reaproveitamento da luz interior para sensores de energia, etiquetas de identificação, transmissores de dados e muito mais. Uma maneira de conseguir isso é desenvolvendo corantes que introduzem níveis de energia dentro da bandgap, a partir da qual os elétrons podem se tornar mais avançados na faixa de condução. Empiricamente, isso dobrou a conversão de fóton para elétron em comprimentos de onda quase infravermelhos, substituindo uma única absorção de alta energia por duas absorções de menor energia.

Células sensibilizadas por corantes são usadas para a produção de janelas fotovoltaicas, onde microesferas de vidro oco TiO₂ são adicionadas aos eletrodos para minimizar a poluição e manter a saída. Para esta técnica de fabricação acessível, como o eletropinning, pode ser usado, onde um chorume TiO₂ é lentamente injetado em um campo elétrico para produzir nanofibras para eletrodos de alto desempenho. Outra técnica de fabricação é a impressão a jato de tinta. Este tem sido usado para depositar eletrodos em substratos de vidro, produzindo células com eficiência de 3,5%.

Você acabou de assistir a introdução do JoVE às células solares sensibilizadas por corantes. Agora você deve estar familiarizado com o funcionamento de células sensibilizadas por corantes, um procedimento para gerá-las baratas em laboratório, e algumas aplicações. Como sempre, obrigado por assistir!

Results

Para cada ponto de dados coletado nas etapas 6.5.3-6.5.4, calcule a densidade atual (mA/cm²) e a densidade de energia (mW/cm²). Para calcular a densidade atual, divida a corrente pela área superficial do filme que foi determinada na etapa 2.7. Para calcular a densidade de energia, multiplique a tensão por densidade de corrente. Plote a corrente (mA) versus tensão (mV) para os dados coletados nas etapas 6.3, 6.4 e 6.5.3-6.5.4. Plote a densidade atual versus volts para todos os dados. Isso deve estar perto do “joelho” da curva. Determine a luz solar para a eficiência de conversão de energia elétrica dividindo a potência máxima (mW/cm²) pela energia solar de entrada (considerada de 800-1.000 W/m²), e multiplicando-se por 100%.

A análise dos dados e a preparação das curvas I-V é padrão na literatura de células solares como forma de comparar o desempenho das células. A tensão do circuito aberto medida deve ser entre 0,3 e 0,5 V, e deve-se obter um curto-circuito de 1-2 mA/cm^2.

Applications and Summary

Este vídeo mostrou a preparação e análise de um simples DSSC.

As células solares estão se tornando mais comuns, e há muita pesquisa sendo feita para avançar suas performances. Células solares tradicionais baseadas em semicondutores de silício são usadas para fazer painéis solares que são usados no espaço e na Terra. O Aeroporto Internacional de Denver faz uso do clima ensolarado do Colorado e tem quatro matrizes solares que fornecem 6% das necessidades energéticas do aeroporto.

Os DSSCs operam com eficiências de até 15%,⁷ em comparação com 14-17% de eficiência para os tradicionais painéis comerciais de silício de baixo custo. Embora a eficiência operacional dos DSSCs seja competitiva, o alto custo dos materiais (como o Ru-dye) é problemático para aplicações em larga escala. Possivelmente a maior desvantagem dos DSSCs é o uso de um eletrólito líquido sensível às mudanças de temperatura. O eletrólito líquido pode congelar a baixas temperaturas, interrompendo assim a produção de energia e/ou resultando em danos estruturais ao painel solar. Em altas temperaturas, o eletrólito líquido se expande, o que torna a vedação dos painéis desafiadora.

References

Williams, R. Becquerel Photovoltaic Effect in Binary Compounds. J Chem Phys, 32 (5), 1505-1514 (1960).
Perlin (2005), Late 1950s – Saved by the Space Race", Solar Evolution – The history of Solar Energy. The Rahus Institute. Retrieved 28 June 2016.
Regan, B., Gratzel, M. Nature, 353, 737-740 (1991).
Miessler, G. L., Fischer, P. J., Tarr, D. A. Inorganic Chemistry, Pearson, 2014.
Wikipedia page: Dye-sensitized solar cell,
Smestad, G. P., Grätzel, M. Demonstrating Electron Transfer and Nanotechnology: A Natural Dye-Sensitized Nanocrystalline Energy Converter. J Chem Ed. 75 (6), 752 (1998).
Burschka, J., Pellet, N., Moon, S.-J., Humphry-Baker, R., Nazeeruddin, M. K., Grätzel, M. Sequential deposition as a route to high-performance perovskite-sensitized solar cells. Nature, 499 (7458), 316-9 (2013).

Transcript

Dye-sensitized solar cells are a promising alternative to conventional semiconductor photovoltaics and have become commercially viable in recent years.

Dye-sensitized cells compensate for their lower efficiency by uniquely producing consistent power even at high temperatures, and high photon incidence angles, yielding nearly 50% more power than silicon solar cells under low light. They are considerably easier to manufacture and can use natural, abundant plant-based pigments as dyes. This video illustrates the operation of dye-sensitized solar cells, demonstrates an elementary procedure for creating test samples in the lab using plant pigments, and discusses a few applications.

All solar cells rely on the ability of light to donate energy to electrons to produce electric currents.

In single atoms, electrons are confined to discrete energy levels. However, when they absorb photons of light, the electrons temporarily ascend to higher energy levels, leaving a hole in the lower level.

When two atoms are in proximity, they perturb each other’s electrons. This creates new energy levels the electrons can occupy. As additional atoms are added, more energy levels form, ultimately coalescing into dense energy bands.

In semiconductors, the unoccupied energy levels form a high-energy conduction band, while occupied levels form a low-energy valence band. The energy difference is known as the “bandgap energy.” If a photon having the bandgap energy strikes an electron, the electron will be promoted, leaving a hole behind. Both electron and hole may be conducted from atom to atom until they recombine.

Now that we’ve seen how semiconductors absorb light energy, let’s see how we can harness this phenomenon in a dye-sensitized solar cell.

Unlike silicon solar cells, dye-sensitized solar cells separate the process of light absorption from that of current transmission, to lower the rate of recombination.

The cell contains a sensitizer dye, a semiconductor layer, an electrolyte, and two electrodes. The semiconductor is a stable dielectric, such as anatase TiO2. The electrolyte is typically an organic iodide, and the counter-electrode a corrosion- and heat-resistant material, often platinum or carbon.

The semiconductor is mesoporous and contains a monolayer of adsorbed dye. When a dye electron is excited by a photon, it is immediately injected into the semiconductor’s conduction band.

The semiconductor conveys the electron to the photoelectrode, and in turn to the circuit. The electron returns via the counter-electrode, where the spent electrolyte is reduced, completing the cycle.

Effective dyes respond to the entire visible spectrum. Early dyes included organic ruthenium complexes. These provide high conversion into the infrared, but are expensive and difficult to produce. Plant-based photosensitive pigments, such as carotenoids and anthocyanins, are more abundant and practical, albeit less efficient.

Those are the principles. Now let’s examine an elementary operating procedure in the lab.

The procedure demonstrated here allows dye-sensitized solar cells to be rapidly fabricated and tested, using only common precursors and laboratory materials.

Begin by adding 6 g of anatase TiO2 powder to a mortar. Add 2- 3 mL of vinegar, and grind the suspension to break up lumps. Iteratively add vinegar in 1 mL increments and grind, until a total of 9 mL have been added. The paste should ultimately be uniform.

Next, produce a surfactant solution by gently mixing one drop of dish soap with 1 mL of distilled water. Gently mix the surfactant solution into the paste, being careful not to produce bubbles. Allow the suspension to equilibrate

Clean two SnO2 coated conductive glass slides using a low lint wipe soaked in ethanol. Use a multimeter to find their conductive sides. The conductive side should have a resistance of 10-30 Ω.

Tape the slides to the bench, one conductive side up and the other conductive side down, such that 5-8 mm are masked and there are no air bubbles. Using a glass rod, apply a thin, uniform line of paste across the top edge of the conductive side. Let the film dry slightly, and remove the tape.

Dry the slide by placing it on a hot plate, conductive side up. The film will first darken to a purple-brown and then whiten. When this occurs, switch off the hot plate, keeping the slide on top. After it has cooled to room temperature, record the surface area of the film.

To prepare the counter-electrode, clean a second conductive glass slide. Apply the carbon catalyst to the conductive side. Hold the conductive side with tweezers over a lighter flame. Let the soot collect for no more than 30 sec. Reorient the slide with the tweezers and cover the remaining corner with soot in the same fashion, ensure the entire slide is covered.

Now that the electrodes have been prepared, let’s construct the dye-sensitized solar cell.

Use a spatula to crush a few raspberries, blackberries or cherries in a beaker. Then filter the solution into a Petri dish using a coffee filter, adding a few drops of distilled water if necessary.

Using tweezers, place the photoelectrode in the Petri dish, conductive side down, taking care not to scratch off the film. When staining is complete, carefully withdraw the slide and check that no white patches are visible. Rinse the slide in ethanol and blot dry.

Place the counter electrode face down on the film, maintaining an offset between the slides. Attach binder clips to the slide edges. Place a few drops of electrolyte along the edge, and let it seep over the film by slightly opening the binder clips. The cell is now ready for operation.

Prepare to measure the cell performance under a halogen lamp. Orient the cell so the photoelectrode is facing halogen lamp. Use a multimeter to measure the open circuit potential and the short-circuit current.

Next, connect the cell to a 500 Ω potentiometer to create the circuit shown in the text protocol. Sequentially increase the resistance through the potentiometer, and use the multimeter to measure the voltage and current.

The data collected is used to create a current-voltage curve, which describes the solar energy conversion of the solar cell and its solar efficiency.

The point where the curve crosses the x-axis is called the open circuit voltage, which is the maximum voltage at zero current. The point of maximum current at 0 V appears on the graph where the curve crosses the y-axis.

The maximum power point (MPP) occurs at the “knee” of the curve and provides the voltage and current conditions for ideal operation of the solar cell. The MPP of current-voltage curves provides a means to compare the performance of different solar cells. The open-circuit voltage measured in this experiment can reach values of 0.5 volts and a short circuit potential of 1-2 mA/cm2 .

Dye-sensitized solar cells are valuable in niche applications, and the approach in this video allows for rapid prototyping of cells with novel dyes.

Since dye-sensitized solar cells yield high power under low light, they are useful for “light harvesting,” the reuse of indoor light to power sensors, ID tags, data transmitters, and more. One way of accomplishing this is by developing dyes that introduce energy levels within the bandgap, from which electrons can upconvert into the conduction band. Empirically, this has doubled photon-to-electron conversion in near-infrared wavelengths by replacing a single high-energy absorption with two lower-energy absorptions.

Dye-sensitized cells are used for the production of photovoltaic windows, where TiO2 hollow glass microspheres are added to the electrodes to minimize pollution and to maintain the output. For this affordable manufacturing techniques, such as electrospinning, can be used, where a TiO2 slurry is slowly injected into an electric field to produce nanofibers for high-performance electrodes. Another fabrication technique is inkjet printing. This has been used to deposit electrodes on glass substrates, yielding cells with efficiencies of 3.5%.

You’ve just watched JoVE’s introduction to dye-sensitized solar cells. You should now be familiar with the operation of dye-sensitized cells, a procedure for inexpensively generating them in the lab, and some applications. As always, thanks for watching!

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