1 MNISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
SECRETARIA DE EDUCAÇÃO PROFISSIONAL E TECNOLOGIA- INSTITUTO FEDERAL DO NORTE MINAS GERAIS-CAMPUS ARAÇUAÍ
TESTE DE SENSIBILIDADE DAS CÉLULAS SOLARES DE TiO
2SENSIBILIZADAS POR CORANTES NATURAIS
Equipe:
Magno Barbosa Dias- Professor do IFNMG-Araçuaí;
Luiz Fernando Oliveira Maia- Professor do IFNMG-Araçuaí Janainne Nunes Alves- Professora do IFNMG-Araçuaí Isadora Sá Matos – Estudante Meio Ambiente
Watles Moura dos Santos Júnior – Estudante Meio Ambiente
Resumo
As células solares convencionais, baseadas em silício, convertem a luz em energia elétrica através de efeito fotovoltaico. Tais células solares são relativamente caras. Em contraste com o alto custo das células solares de silício, uma configuração de célula solar tem sido proposta: são as chamadas células de Grätzel, que utilizam nanopartículas de TiO2 sensibilizadas por corantes. Nestas
células, filmes nanocristalinos de TiO2 são sensibilizados à luz visível para que seja possível a
captação da luz solar e sua conversão em eletricidade. A utilização de extratos naturais é uma alternativa para a sensibilização, sendo a antocianina um tipo de corante bastante conveniente para este fim. Estes pigmentos são responsáveis pela intensa coloração vermelha e roxa de frutas e flores, apresentando absorção na região visível do espectro, além de adsorverem quimicamente ao filme de TiO2. Dentro deste contexto, o presente trabalho tem como objetivo o desenvolver e testar a
sensibilidade de células fotovoltaicas nanocristalinas, utilizando corantes naturais, visando a geração direta de energia elétrica via luz solar. As células solares para testes foram formadas por um eletrodo de vidro condutor TEC 15 no qual foi sinterizado um filme nanoporoso de TiO2, um contra-eletrodo de
grafite, um eletrólito com um par redox KI/I2 e corantes naturais fotoexcitáveis. Os corantes utilizados
2
I- Introdução
A energia tem sido através da história a base do desenvolvimento das civilizações. Nos dias atuais são cada vez maiores as necessidades energéticas para a produção de alimentos, bens de consumo, bens de serviço e de produção, lazer, e finalmente para promover o desenvolvimento econômico, social e cultural. É assim, evidente a importância da energia não só no contexto das grandes nações industrializadas, mas principalmente naquelas em via de desenvolvimento, cujas necessidades energéticas são ainda mais dramáticas e prementes. (Santos et al, 2008)
As fontes alternativa de energia vêm através dos tempos ganhando mais adeptos e força no seu desenvolvimento e aplicação, tornando-se uma alternativa viável para a atual situação em que o mundo se encontra, com as crises de petróleo, pela dificuldade de construção de centrais hidroelétricas, termelétricas, carvão mineral, xisto, usinas nucleares e outras formas de energia suja, como são classificadas, em via de que a sua utilização gera uma grande degradação ambiental.
Uma das metas para promover o desenvolvimento sustentável consiste em diversificar a matriz energética mundial e aumentar a contribuição das fontes alternativas (renováveis) de energia, como energia solar, eólica e biomassa. Dentre as energias renováveis, a energia solar se destaca pela enorme disponibilidade, 3 x 1024 J por ano, o que supera o consumo mundial atual de 4.1 x 1020 J.(Patrocínio
et al., 2001).
Um tipo de energia que desperta bastante interesse é a energia solar. Após a crise do petróleo o interesse por essa fonte cresceu muito e hoje representa cerca de 0,5% do consumo mundial de energia. E o que se observa atualmente é que o investimento neste setor vem aumentando, provocada principalmente pela crise energética que assola vários países. Entretanto o emprego da energia solar, só será uma opção economicamente viável da substituição das fontes energéticas convencionais quando forem resolvidos problemas de intermitência, baixo rendimento de energia por unidade de superfície, e o mais importante, o custo na produção dos módulos fotovoltaicos (Nogueira, 2001).
As células solares sensibilizadas por corante, Dye-Cells® ou também chamadas de células solares nanocristalinas de TiO2, são uma das possibilidades mais promissoras de aproveitar a energia
solar para geração de eletricidade em bases competitivas com o custo atual da energia convencional (Patrocínio et al, 2001). Este tipo de célula solar tem sido desenvolvido e extensivamente estudado por Grätzel e colaboradores (1998) por causa das suas características específicas na conversão de luz em energia elétrica. Em contrastes com os altos custos das células solares convencionais, essa nova e promissora configuração de células solar é criada utilizando materiais de média e baixa pureza com real possibilidade comercial de transformar energia solar em eletricidade.
Embora se discuta muito o uso de células fotovoltaicas para geração de energia, ela também é largamente aplicada nos componentes eletrônicos como sensores. Placas sensíveis à luz podem ser
3 utilizadas para acionar dispositivos remotamente. Portando, o teste de sensibilidade de uma placa solar responde à questão de sua capacidade de variação de propriedades elétricas em função da mudança da intensidade solar.
II-Objetivos 2.1-Geral
O propósito é avaliar a sensibilidade de uma célula fotovoltaica Grätzel utilizando TiO2 quanto
à incidência de luz por meio da variação da distância de uma fonte luminosa sobre a placa construída.
2.2-Específicos
Construir uma célula de Grätzel utilizando TiO2 como semicondutor sensibilizado por corantes
naturais (antocianinas) extraídas de diferentes frutos e flores do vale do Jequitinhonha.
Realizar a caracterização elétrica;
Analisar se a célula fotovoltaica é viável por meio de testes de sensibilidade;
Investigar a relação entre a distância da fonte de luz até a célula fotovoltaica.
III-Revisão de Literatura
As Células solares de Grätzel utilizam filmes nanoporosos de semicondutores que possuem uma grande área superficial podendo adsorver grande quantidade de corantes sintéticos ou naturais. A estrutura nanocristalina permite o espalhamento da radiação, assim quando a luz atinge o filme fotosensibilizado ela cruza centenas de monocamadas do corante. Além disso, o eletrólito penetra por toda a estrutura nanoporosa do eletrodo, facilitando o processo de regeneração do corante. Como resultado final obtém-se uma maior absorção de radiação e maior eficiência de conversão em eletricidade (Yamazaki et al, 2006).
Em comparação com as células solares que utilizam o silício como semicondutor, as células de Grätzel possuem enormes vantagens como segue abaixo:
Melhor aproveitamento sobre uma faixa ampla de luminosidade, devido a habilidade de usar corantes que absorvem radiação do visível infravermelho próximo;
São preparadas utilizando matérias de baixa e média pureza e processos de produção que utilizam equipamentos que operam em condições ambientais, isso melhora a relação custo/benefício em comparação as células de silício;
4 Este tipo de equipamento solar é composta por duas pequenas placas de vidro recobertas por um substrato condutor transparente de óxido de estanho (SnO2) dopado ou material similar. Numa dessa placas de vidro, é depositado, no lado condutor um filme nanocristalino de TiO2 com espessura
variando de 10 a 50 μm. Este vidro é então sinterizado a uma temperatura de 450 ºC por 30 minutos e adquire características de um semicondutor nanoporoso de elevada área superficial (Polo et al, 2003).
Essa superfície é então imersa numa solução que contém um corante sensibilizador formando então o eletrodo. A outra placa de vidro é depositada no lado condutor uma fina camada catalisadora de platina ou grafite que funcionará como contra-eletrodo. As placas de vidro são colocadas em contato através de um eletrólito que é geralmente o par redox I2/I3- como mostra a figura 1.
Figura 1: Esquema de uma célula solar no formato sanduíche
Fonte: Polo et al, 2003 A figura 2 representa esquematicamente os eventos envolvidos nesse tipo de arranjo. Com a absorção da luz, a espécie sensibilizadora D (Dye-corante) é promovida a um estado energeticamente excitado, D*. Uma vez excitado, esse sensibilizador transfere, ou "injeta" um elétron para a banda de condução do semicondutor. O sensibilizador oxidado é então reduzido por um mediador M (o par redox presente na solução I2/I3-). O mediador oxidado por sua vez difunde-se em direção ao
contra-eletrodo, onde volta a se reduzir, terminando o processo. O sistema opera como uma célula eletroquímica regenerativa que converte luz em eletricidade sem causar nenhuma transformação química permanente. A voltagem máxima que pode ser obtida corresponde à diferença entre o potencial redox do mediador e o nível Fermi do semicondutor (Gratzel, 2006).
Esse sistema apresenta uma vantagem fundamental em relação ao sistema tradicional, no qual o semicondutor era excitado diretamente. A injeção do elétron a partir de um sensibilizador fotoexcitado na banda de condução do semicondutor permite popular essa banda com luz de energia menor que a energia da banda proibida. Isso permite um aproveitamento maior do espectro solar em aplicações práticas.
5 Figura 2: Funcionamento de uma célula solar nanocristalina.
Fonte: http://tikalon.com/blog/blog.php?article=graetzel Em resumo, segue as equações das reações que ocorrem no interior de uma célula de Grätzel:
D + luz D*
D* + TiO2 e-(TiO2) + D ( oxidado)
D (oxidado) + 3/2 I- D + 1/2 I3
-1/2 I3- + e- (contra eletrodo) 3/2 I
-Diante deste cenário promissor, de desenvolvimento de células solares, o empenho na pesquisa é desenvolver os materiais componentes da célula e os métodos de construir as partes e realizar a montagem de um protótipo de célula solar sensibilizada por extratos naturais, que seja de baixo custo, de fácil construção e com bom rendimento de conversão de energia luminosa em corrente elétrica.
Pesquisas recentes têm demonstrado vantagens de se trabalhar com células solares sensibilizadas por corantes, dentre elas destaca-se: uso de materiais baratos como TiO2, corantes
naturais orgânicos e o processamento simples em sua montagem. No entanto a eficiência de conversão ainda é pequena, na ordem de 5,5 % quando se usam corantes naturais e cerca de 11% para corantes sintéticos.
Dentro deste contexto, o presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento e teste de células fotovoltaicas nanocristalinas, utilizando extratos naturais e materiais de baixo custo. As células
6 solares para testes serão formadas por um eletrodo de vidro condutor transparente TEC 15 com camada condutora de SnO2 dopado com flúor no qual será sinterizado um filme nanoporoso do
semicondutor TiO2 P25 nanocristalino, um contra-eletrodo de grafite/carvão ativado, um eletrólito com
um par redox KI/I2 e corantes naturais fotoexcitáveis.
O teste de sensibilidade será aferido por meio da intensidade da energia eletromagnética (radiação) que é inversamente proporcional ao quadrado da distância de uma fonte pontual, de acordo com a equação a seguir:
Onde I1 é a intensidade a uma distância d1 da fonte e I2 é a intensidade a uma distância d2 da
fonte. (Chesman et al., 2004).
IV-Materiais e Métodos
4.1-Preparo do Filme Nanoparticulado de TiO2
Os experimentos foram realizados nos laboratórios de química e biologia do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Norte de Minas Gerais, em Araçuaí-MG. Onde os estudos tiveram início em agosto de 2014.
Para construção das células fotovoltaicas uma suspensão de dióxido de titânio nanocristalino foi preparada adicionando 10 ml de vinagre comercial gradualmente para 6 gramas de dióxido de titânio com agitação e moagem usando o sistema de almofariz e pistilo até ficar homogêneo e sem grumos (cerca de 5 minutos). Posteriormente foram adicionadas algumas gotas de detergente a fim de evitar rachaduras no filme misturando levemente. A mistura então é deixada em repouso por 15 minutos.
A solução coloidal de nanopartículas de TiO2 foi depositada no vidro transparente condutor
(eletrodo) pelo método de espalhamento utilizando um bastão de vidro através de movimentos rápidos. O lado condutor do vidro é anteriormente determinado através de medidas de resistência elétrica utilizando um multímetro. Uma fita adesiva de aproximadamente 50 μm é colocada no substrato condutor a fim de controlar a espessura e a área do filme. A área do filme obtida foi de 12 cm2 na placa do vidro condutor (5 cm x 5 cm). O filme foi deixado secar ao ar por aproximadamente 5 minutos e depois levado ao aquecimento em um forno convencional por 60 minutos, para sinterização. O filme obtido foi armazenado para uso posterior. Uma célula solar parecida com a que construímos
7 apresentou um valor de corrente de 0,23 mV para iluminação solar, valor considerado baixo também observados por Polo et al., 2003.
4.2-Obtenção de Extrato Floral
Os extratos de flores das amostras de Bougainvillea spectabilis, uma espécie encontrada com
abundância no Vale do Jequitinhonha, foram obtidos em meio alcoólico (solução etanol 95%) segundo metodologia adaptada de Lima et al. As flores foram lavadas, trituradas manualmente e maceradas no solvente extrator, utilizando a proporção de 1:4 m/v. O material ficou em repouso por 24 horas, envolto com papel alumínio e sob refrigeração (5,0 ± 1,0ºC). Após repouso, o material foi manualmente filtrado em funil comum contendo algodão. O extrato obtido foi então, armazenado em frasco âmbar e sob refrigeração (5,0 ± 1,0ºC).
4.3-Sensibilização do Filme de TiO2
O filme do TiO2 foi recoberto com uma monocamada do corante em imersão por 24 horas na
solução do corante (extrato alcoólico obtido) colocada numa placa de petri ao abrigo da luz. Após este período, o eletrodo foi lavado cuidadosamente com etanol com a finalidade de retirar o excesso de corante nas extremidades do vidro e deixado secar em atmosfera ambiente no escuro. Também foram preparadas células sensibilizadas com corante alimentício comercial.
4.4-Preparo do Contra-eletrodo
O vidro foi recoberto com uma pasta de carbono através do contato do lado condutor com a chama de uma vela até a formação de uma camada escura sobre a superfície condutora.
4.5-Montagem da Célula
Para montagem da célula é necessário juntar o eletrodo que contém a camada de grafite com o filme de titânio ativado com corante. A camada de titânio deve estar em contato com a camada de grafite aplicando-se uma pressão, mas mantendo integridade mecânica do dispositivo. Duas garras ou clips foram utilizados para manter a célula fortemente presa e seus polos são conectados a fios formando um circuito externo (figura 3).
8
4.6-Preparo do Eletrólito
Segundo Freitas (2006), o eletrólito utilizado consiste em uma solução de etileno glicol, da mistura 0.5 mol de iodeto de potássio (KI) com 0.05 mol iodo re-sublimado (I2). Sua presença na
célula e parte fundamental para o funcionamento da célula fotovoltaica orgânica conforme foi explicado anteriormente.
Após a colocação do eletrólito na célula, ela é vedada em todas as suas bordas com cola epóxi (de 5 a 10 minutos de polimerização), para que não exista evaporação do eletrólito e prejudique o funcionamento da célula.
4.7-Caracterização Elétrica
As medidas elétricas foram realizadas utilizando um sistema desenvolvido composto de um multímetro digital para medidas de voltagem (V); uma resistência de carga variável (de 0 a 10000Ω - potenciômetro) e uma lâmpada de 60 W que ilumina a célula. A Figura 4 ilustra o sistema elétrico montado no laboratório, com finalidade de se efetuar as medidas.
Figura 4: Esquema do circuito de medida elétrica.Fonte: Próprio autor
Posteriormente foi investigada a relação entre a distância da fonte de luz até a célula fotovoltaica, com o intuito de avaliar a sensibilidade da célula fotovoltaica quanto à incidência de luz. Já que a intensidade da luz é inversamente proporcional ao quadrado da distância de uma incidência entre um objeto e a fonte irradiadora, utiliza-se uma lanterna de celular que é ligada a diferentes distâncias da célula, para analisar dados de voltagem, corrente e resistência da célula fotovoltaica.
V-Resultados
No teste para verificar a relação entre a distância e a corrente, a condição inicial da célula, em milivolts, com ambiente totalmente escuro foi de 1,3mV e a corrente elétrica foi de 0,3µA. Essa condição de plena escuridão é equivalente a uma fonte luminosa que situa-se no infinito. Observa-se
9 que, mesmo sem iluminação a célula fotovoltaica assume uma pequena diferença de potencial elétrico. Uma hipótese é que, mesmo sem luz visível, outro comprimento de onda possa estar influenciando a célula.
Dessa forma, posicionando a fonte de luz (lanterna de celular) a 10cm da célula, a voltagem subiu de 5,9 para 11,6mv e a corrente para de 1,5µA para 3,2µA. Com a fonte de luz a 20 cm da célula, nas mesmas condições, a voltagem foi para 9,4mV e a corrente foi para 2,5µA. Quando posicionada a fonte de luz a 30 cm da célula, a voltagem foi para 8,2mV e a corrente para 2,1µA. Por fim, o multímetro acusa 5,9 mV enquanto a corrente foi 1,5µA para a mesma fonte a 180cm. Esse estágio é importante por considerar medidas mais próximas da assíntota que representa a medida constante de potência gerada na ausência de luz.
Para melhor compreensão, os resultados foram representados na tabela 1, a seguir. A tabela apresenta, além das distâncias, voltagens e corrente, o valor da potência que é adquirido teoricamente pela expressão P = U.I. O seu valor é medido em nW (nanoWat) em função das medidas que lhe dão origem.
Tabela 1: Medidas de variáveis elétricas em teste de sensibilidade. Autoria própria.
Nessa experiência, é possível verificar que a célula testada é sensível à distância da fonte, podendo localizar a sua posição relativa numa dada direção. O fato da potência real emitida pela fonte não ser conhecida, o teste de conversão energética da célula não pode ser descrito. Logo, verifica-se apenas que a placa testada é sensível às variações de intensidade luminosa, tendo sua aplicação passível de ser explorada como sensor de distância.
VI-Conclusão
Os ensaios ainda não foram realizados para a célula produzida com o extrato floral, no entanto, uma medida preliminar mostrou que esta apresenta características semelhantes ao corante comercial. A experiência revela que a célula, se não uma eficiente transformadora de potência luminosa em potência
10 elétrica, é pelo menos, sensível à iluminação, variando a potência em função da quantidade de luz incidente e desta, mantendo relação com a distância da fonte. Essa constatação se justifica pelo fato das referências apontarem que, quanto maior a distância de uma fonte luminosa de uma dada superfície, menor será a intensidade do fluxo radiante que corta essa superfície, levando à conclusão de que a variação de distância da fonte gera variações na produção de energia elétrica na placa solar testada. A pesquisa aponta para uma aplicação na área de controle e automação. Contudo, é fundamental investigar o comportamento de corantes naturais disponíveis na vasta diversidade ecológica da nossa região. A perspectiva é que os testes mais rigorosos possam resultar em taxas de conversões energéticas que possam aproximar dos corantes artificiais em larga aplicação.
Referências
AGRELL, HELENA GREIJER. Interactions in Dye-sensitized Solar Cells. Tese de doutorado, Uppsala, Suécia, 2003.
CHESMAN,C., MACEDO, A., ANDRÉ,C., Física moderna, experimental e aplicada, Editora Livraria da Fisica, 2004.
FREITAS, FÁBIO ELIAS. Célula solar de SnO2/TiO2 Preparada por “Spray” – Pirólise Ativada com Corante Orgânico. Ilha Solteira-SP, Unesp, Dissertação de mestrado, 2006.
GRÄTZEL, M., SMESTAD, G.P., Demonstrating Electron Transfer And Nanotechnology:
A Natural Dye–Sensitized Nanocrystalline Energy Converter. Journal of Chemical
Education Vol. 75, no 6, junho, 1998.
GRÄTZEL, M. The Magic World of Nanocrystals, From Batteries To Solar Cells. Current Aplied Physics, Vol. 6, páginas e2 a e7, abril, 2006.
HALME, JANNE. Dye-Sensitized Nanostructured And Organic Photovoltaic Cells: Technical Review and Preliminary Tests. Dissertação de mestrado, Helsinque, Finlândia, 2002.
LIMA I. V. M.; LIMA M. A. S.; PIMENTA A. T. A.; CAVALCANTE F. S.A. E CARMONA H. A.
Métodos de Extração de Antocianinas para uso em Células Fotovoltaicas Sensibilizadas a Corante. Simpósio Brasileiro de Sistemas Elétricos, Belém-Pa, 2010.
NOGUEIRA, ANA FLÁVIA; Células Solares de “Grätzel” com Eletrólito Polimérico. Tese de doutorado, Campinas, São Paulo, 2001;
11 PATROCÍNIO, ANTONIO OTÁVIO T. E MURAKAMI, NEYDE Y. IHA. Em Busca da
Sustentabilidade: Células Solares Sensibilizadas por Extratos Naturais. Química. Nova,
Vol. 33, No 3, 574-578, 2010.
PÓLO, A.S., MURAKAMI, N.Y., Clean and Renewable Energy From Dye-Sensitized
Solar Cells Using Fruits Extracts, RIO 3 - World Climate & Energy Event, 1-5 dezembro,
2003, Rio de Janeiro, Brasil.
SANTOS, MYRLLA GALDINO R. S. E MOTHÉ, CHEILA GONÇALVEs. Fontes Alternativas
de Energia. Revista Analytica, dezembro/Janeiro, 2007/2008 , Nº32.
YAMAZAKI E., MURAYAMA M., NISHIKAWA N., HASHIMOTO N., SHOYAMA M., KURITA O., Utilization Of Natural Carotenoids As Photosensitizers For Dye-Sensitized Solar Cells, Industrial Research Division, Mie Prefectural Science and Technology Promotion Center, Takachaya 5-5-45, Tsu, Mie 514-0819, Japan, 2006.
TIKALON- Scientific Consulting and intellectual Property Creation. Dye-Sensitized Solar Cells. 2010. Disponível em: www.tikalon.com/blog/blog.php?article=graetzel acessado dia 28 de agosto de 2014 as 09:30.
