Muitas são as técnicas de caracterização de dispositivos fotovoltaicos, sendo que a mais utilizada é a obtenção de curvas I-V como forma de determinar a eficiência das células solares.
2. Células solares 13 destes dispositivos, como por exemplo a corrente de curto-circuito Isc, a tensão de circuito
aberto Voc, o fator de preenchimento FF e a eficiência de conversão de fótons em elétrons η. A
Figura 2.8 mostra uma curva I-V onde estão indicados alguns destes parâmetros. Nela também estão indicados a tensão máxima Vmáx e a corrente máxima Imáx, que são a tensão e corrente
correspondentes à máxima potência que a célula solar pode oferecer, Pmáx, como pode ser
observado na Figura 2.9. A potência que uma célula solar pode fornecer depende da tensão na qual ela está operando, e este ponto de operação depende da impedância do circuito externo que está conectado à célula.
Figura 2.8: Representação de uma curva I-V e de alguns parâmetros.
14 2.4 Caracterização das células: Teoria
O fator de preenchimento, que pode ser obtido a partir da equação 2.1, indica o quanto a potência máxima que pode ser gerada pela célula se aproxima do produto entre a Isc e a
Voc, ou seja, o quanto o retângulo pontilhado menor presente na Figura 2.8 se aproxima do
maior. Quanto mais essa razão se aproximar de 1 (FF < 1), mais eficiente será o dispositivo fotovoltaico, pois o FF está relacionado à eficiência da célula de acordo com a equação 2.2. Uma das principais causas de diminuição do FF é o aumento das resistências em série presentes em uma célula solar, como está exemplificado na Figura 2.10.
F F = Vmax.Imax
Voc.Isc (2.1)
Figura 2.10: Representação da diminuição do fator de preenchimento, FF, quando são aumentadas as resistências em série em célula solar.
A eficiência de conversão de fótons em elétrons também pode ser obtida a partir de parâmetros contidos na curva I-V, através da razão entre a potência máxima gerada pela célula e a potência de luz incidente, como apresentado na seguinte relação:
η = Pmax Pinc =
F F.Jsc.Voc
Pinc (2.2)
2. Células solares 15 densidade de corrente de curto-circuito, em A/cm2, dada pela razão entre I
sc e a área ativa da
célula solar.
A Pincé definida como sendo igual a 100mW/cm2, de acordo com o espectro de referência
terrestre global, AM1.5G. Assim, é necessário calibrar o simulador solar utilizado a fim de obter este valor em todas as medidas.
Capítulo 3
Células Solares Sensibilizadas por
Corante
As células solares sensibilizadas por corante, ou DSSC, foram primeiramente desenvolvidas em 1991, por Michael Gratzel e O’Regan[5], e por isso são também conhecidas como células solares de Gratzel. Estes dispositivos fotovoltaicos são compostos por um fotoeletrodo, um contra-eletrodo e uma solução eletrolítica.
O fotoeletrodo é constituído de um vidro recoberto por um óxido transparente condutor, TCO, onde é depositado um filme de nanopartículas de um óxido semicondutor, como por exemplo o TiO2, que possui uma banda proibida grande, sendo portanto transparente à luz
visível. Desta forma, o TiO2 não absorve grande parte do espectro solar, e para isso é necessário
que este filme seja sensitizado por uma monocamada de um corante, que é o elemento ativo da célula, ou seja, é ele quem absorve os fótons e gera elétrons, através de sua oxidação. Esses elétrons são posteriormente injetados no óxido semicondutor, e um par redox contido no eletrólito faz a redução do corante oxidado e é regenerado no contra-eletrodo. Este geralmente é composto por um vidro, recoberto por um TCO e revestido por um material catalisador, como a platina. Um esquema de como é a configuração e funcionamento destas células está mostrado na Figura 1.1. Cada componente dessas células será abordado mais especificamente nas próximas sessões.
18
Sob condições de luz difusa e em altas temperaturas, as DSSC têm performance relativa- mente melhor que as outras células solares, como por exemplo a de silício cristalino. Isso ocorre porque as DSSC possuem superfícies rugosas, que são relativamente melhores na absorção de luzes difusas do que superfícies planas [13]. Além disso, as DSSC têm como características positivas o uso de alguns materiais abundantes e não-tóxicos, como o TiO2 e corantes diversos.
Um grande atrativo desta categoria de células é sua função estética, pois devido às diversas cores e formas das quais estas células podem ser feitas, elas podem ser utilizadas em quadros e janelas, por exemplo.
Outro fator importante a ser considerado quando se pensa na inserção no mercado desta categoria de célula solar é o custo, que atualmente pode ser equiparado ao das células convencionais de silício cristalino, pois envolve processos de manufatura mais simples e, portanto, mais baratos. Porém, como a eficiência das DSSC ainda é baixa, atualmente elas competem no mesmo mercado que as células de silício amorfo [3].
Para que este custo/benefício aumente, é necessário que se obtenha células solares mais eficientes. Para isso, durante as últimas duas décadas, todos os constituintes destas células têm sido largamente investigados por vários grupos de pesquisa. Atualmente, bons resultados têm sido obtidos utilizando-se duas camadas de diferentes espessuras de nanopartículas de TiO2
como fotoeletrodo, sensibilizados por corantes contendo rutênio, além da utilização de I−/I− 3
como par redox e da deposição de Pt em um vidro condutor para a formação do contra-eletrodo [14]. O recorde de eficiência até o presente momento é de 11,9% [6], para uma DSSC contendo cobalto como par redox, ao invés do iodo. Com as eficiências das células aumentando, esta nova geração de células fotovoltaicas apresenta uma promissora fonte de energia renovável.
Em uma célula solar sensibilizada por corante, não há a formação de uma junção p-n, como ocorre nas células solares de primeira geração. Assim, não existe um campo elétrico macroscópico que separe os portadores, gerando corrente elétrica. O processo de geração desta corrente ocorre da seguinte maneira: O corante é excitado pela luz, oxidando-se e gerando um exciton, ou par elétron-buraco. Este elétron pode ser injetado na banda de condução das
3. Células Solares Sensibilizadas por Corante 19 nanopartículas de TiO2, e a partir daí pode se difundir pelo óxido semicondutor até atingir o
substrato de vidro revestido com um óxido condutor. O corante excitado é reduzido pelo par redox contido na solução eletrolítica. A platina entra nesse contexto como um regenerador dos íons oxidados contidos no eletrólito. Note que, no caso das DSSC, não há a criação de buracos na banda de valência do semicondutor (os elétrons são injetados diretamente do sensitizador na banda de condução do TiO2) e, assim, não há processos de recombinação entre elétrons e
buracos no semicondutor.
Nas sessões seguintes serão apresentadas as principais características dos componentes das DSSC, e na sessão 3.6 serão apresentadas as equações que mostram as reações e transferências de carga que ocorrem nas DSSC, assim como o diagrama de energias de uma célula solar sensibilizada por corante.
3.1
Óxido transparente condutor
Um óxido transparente condutor, TCO, é utilizado para revestir o substrato de vidro, conferindo a este um caráter condutor, que será importante para o transporte dos elétrons fotogerados na célula até os contatos elétricos. O TCO deve ter baixa resistência de folha, em torno de 5 − 15Ω\sq [1], e que varie pouco com a temperatura, já que os tratamentos térmicos realizados no processo de produção das DSSC envolvem temperaturas de até 450◦C. Além disso,
é necessário que ele possua alta transparência, para que haja pouca perda de luz por reflexão, e por essa razão ele não pode ser muito condutor, já que a transmissão de um filme diminui quando sua condutividade aumenta [3].
Os óxidos transparentes condutores mais empregados atualmente são o óxido de estanho dopado com índio, ITO (In:SnO2), do inglês indium-doped tin oxide, e o óxido de estanho dopado com flúor, FTO (F:SnO2), do inglês fluorine-doped tin oxide. Uma fina camada destes óxidos é depositada em substratos de vidro, e sobre eles são depositados os filmes nanoestruturados de TiO2. Estudos têm mostrado [15] que o FTO é mais resistente à temperatura, pois sua