Células solares orgânicas - Apostilas - Quimica, Notas de estudo de Química. Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)
Maraca
Maraca1 de Março de 2013

Células solares orgânicas - Apostilas - Quimica, Notas de estudo de Química. Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)

PDF (217.3 KB)
7 páginas
928Número de visitas
Descrição
Apostilas sobre as células solares orgânicas, surgimento, materiais e métodos, progresso.
20pontos
Pontos de download necessários para baixar
este documento
baixar o documento
Pré-visualização3 páginas / 7
Esta é apenas uma pré-visualização
Consulte e baixe o documento completo
Esta é apenas uma pré-visualização
Consulte e baixe o documento completo
Pré-visualização finalizada
Consulte e baixe o documento completo
Esta é apenas uma pré-visualização
Consulte e baixe o documento completo
Esta é apenas uma pré-visualização
Consulte e baixe o documento completo
Pré-visualização finalizada
Consulte e baixe o documento completo

TRABALHO DE QUÍMICA TECNOLÓGICA

TEMA:

novas Células solares orgânicas

02/12/12 de dezembro.

INTRODUÇÃO

Energia solar é a designação dada a qualquer tipo de captação de energia luminosa proveniente do sol, e posterior transformação dessa energia captada em alguma forma utilizável pelo homem, seja diretamente para aquecimento de água ou ainda como energia elétrica ou mecânica.

No seu movimento de translação, a Terra recebe 1.410 W/m² de energia, desta, aproximadamente 19% é absorvida pela atmosfera e 35% é refletida e espalhada pelas nuvens. As plantas utilizam um pequeno espectro desta energia no processo de fotossíntese. A radiação solar, juntamente com outros recursos energéticos, tal como a energia eólica, hidroeletricidade e biomassa, são responsáveis por grande parte da energia renovável disponível na terra. Apenas uma minúscula fracção da energia solar disponível é utilizada. A superfície total da Terra recebe 174 petawatts (174 seguido de quinze zeros) de radiação solar (insolação). Dessa radiação, cerca de 30% é refletida para o espaço, enquanto o restante é absorvida pelos mares e massas terrestres. O espectro da luz solar na superfície da Terra é mais difundida em toda a gama visível e infravermelho e uma pequena gama de radiação ultravioleta.

A conversão da luz do Sol em eletricidade é praticamente feita por meio de células fotovoltaicas. Tais células utilizam elementos semicondutores e hoje tem aplicações mais amplas do que suprir energia aos engenhos aeroespaciais. Um forte incremento na procura de novas formas de produção de energia elétrica baseadas em fontes limpas e renováveis, a radiação solar em energia elétrica, é uma das formas de responder a esse grande desafio da humanidade.

docsity.com

A capacidade mundial instalada de energia solar em 2004 era de 2,6 GW, cerca de 18% da capacidade gerada por hidroelétrica de Itaipu. Os principais países produtores, curiosamente, estão situados em latitudes médias e altas, regiões de menor incidência solar. O maior produtor é o Japão (com 1,13 GW instalados), seguido da Alemanha (com 794 MW) e Estados Unidos (365 MW).

Para entendermos como funciona uma célula solar, primeiramente vamos explicar o diagrama de bandas de energia para vários tipos de materiais. A distância entre a denominada banda de valência e banda de condução determina as propriedades de condução elétrica do material.

A Figura 1 apresenta as bandas de energia para diversos materiais.

Chama-se de nível de Fermi NF a um nível de energia imediatamente superior aos menores estados de energia possíveis, ocupados por todos os elétrons de um material quando a temperatura é zero Kelvin (zero absoluto). Para uma temperatura superior alguns elétrons são excitados para níveis de energia maiores que o NF.

Nos semicondutores apenas alguns níveis de energia são permitidos, o nível de menor energia é denominado nível de valência e o nível imediatamente superior possível é denominado nível de condução. A distância entre estes dois níveis é denominada faixa proibida ou equivalente a uma quantidade de energia denominada de gap (intervalo de energia).

A Figura 2 apresenta um diagrama de um semicondutor e alguns elétrons distribuídos.

O NF aproxima-se do local onde estão os portadores de carga. Os materiais semicondutores do tipo P são obtidos como, por exemplo, em estruturas como do silício que tem 4 elétrons no último nível eletrônico (tretavalente) em que se introduz uma impureza trivalente, ou seja, a estrutura terá um elétron a menos tendo uma característica positiva P. Já o semicondutor do tipo N é formado por um semicondutor tretavalente dopado com um material pentavalente.

docsity.com

A Figura 3a apresenta esquematicamente os dois tipos de semicondutores. A Figura 3b mostra como é a distribuição de energia dos dois tipos de semicondutores e o respectivo NF.

SURGIMENTO DAS NOVAS CÉLULAS SOLARES

O uso de materiais orgânicos em sistemas optoeletrônicos tomou ênfase depois do surgimento de diodos emissores de luz (LED) atualmente usando materiais orgânicos (OLEDs).

Na produção de energia, utilizamos um processo empregando clorofila observando o que já acontece na natureza com a fotossíntese. Michael Grätzel em 1991 apresentou uma célula fotovoltaica baseada num corante sintético que transforma uma grande parte da energia solar em energia elétrica. Na fotossíntese, a energia solar é utilizada pelas plantas para a produção de açúcar, na célula solar de clorofila a energia solar é diretamente utilizada para a produção de energia elétrica.

Os pigmentos responsáveis pela fotossíntese denominados clorofilas tipo a absorvem luz na região próxima ao azul e violeta. Já a clorofila associada a carotenóides é denominada de clorofila tipo b não faz conversão de energia, transfere para a clorofila “a” a energia captada do fóton para que se faça a conversão.

Quando os pigmentos recebem energia luminosa e ficam excitados, ocorre o deslocamento de elétrons para níveis energéticos mais elevados. A substância que doou elétrons fica oxidada e a receptora reduz, evidenciando então uma reação de óxido-redução. A clorofila recupera os elétrons doados através da reação de foto-oxidação da água, onde os átomos de hidrogênio H e oxigênio O são separados e os 4 elétrons resultantes são doados.

Materiais e métodos

A célula de clorofila foi montada utilizando um filme transparente e condutor, denominado TCO de dióxido de estanho dopado com flúor SnO2:F, depositado por magnetron sputtering em substrato de vidro borossilicato de 1mm de espessura. Sobre o TCO, foi aplicada uma pasta formada por dióxido de titânio (TiO2) misturado a uma solução de acido acético a 2 %. Após o depósito da pasta sobre o TCO, o substrato foi seco e endurecido em estufa a 500 °C por 10 minutos formando uma cerâmica compacta e porosa . Foi gotejada a clorofila extraída por infusão em acetona e secando até obter um xarope de alta viscosidade. Por fim, utiliza-se um gel condutor de polímero carboxi-vinílico com hexametafosfato de sódio como eletrólito para finalmente fazer contato com uma placa de cobre.

docsity.com

A Figura 5, mostra um diagrama esquemático da célula desenvolvida.

As reações químicas envolvidas na célula obedecem à rota: a molécula declorofila absorvendo um fóton em um tempo extremamente rápido, cerca de 2 x 10-¹5segundos. Quando a luz é absorvida por um átomo no estado fundamental, toda a energia do fóton é adicionada a ele e o átomo passa, então, de um estado eletrônico fundamental (S0) para um estado excitado singleto, rico em energia. Os estados excitados singletos podem ser S1 e S2 dependendo do comprimento de onda absorvido.

Se for um fóton de luz vermelha, a clorofila passa ao estado excitado singleto S1 e se for azul, passa ao estado excitado singleto S2. A diferença de energia entre S2 e S1 é perdida como calor. A transição do estado excitado S1 para o estado fundamental S0 é lenta e a energia é dissipada de diversas maneiras, podendo ocorrer a emissão de um fóton de luz de volta ao meio chamado de fluorescência ou pode haver a transferência de energia entre as moléculas de clorofila até o centro de reação chamado de ressonância indutiva, com a respectiva emissão de um elétron rico em energia do centro de reação (reação fotoquímica redox)

Novas células solares não precisam de luz solar direta

Progresso: a célula solar da Massey University custa um décimo do preço do painel solar baseado em silício.

Wayne Campbell e Ashton Partridge com uma pequena demonstração do painel solar de pigmento sintético (placa na foto). Ele não somente é ambientalmente amigável e apto a ser feito na Nova Zelândia, mas custa uma fração do preço das células de silício.

As novas células solares desenvolvidas na Massey University não precisam de luz solar direta para operar, e usam um conjunto patenteado de pigmentos que podem ser impregnados em telhados,vidros de janelas e eventualmente até em vestimentas para produzir energia.

Isso significa que adolescentes podem um dia estar usando jaquetas que irão recarregar seus equivalentes a telefones celulares, ipods e outros dispositivos que funcionem a bateria.

O avanço é um desenvolvimento do Centro de Pesquisas de Nanomateriais da universidade e tem atraído amplo interesse mundial – particularmente da Austrália e Japão.

docsity.com

Pesquisadores do centro desenvolveram um espectro de corantes sintéticos a partir de compostos orgânicos simples proximamente relacionados, entre os encontrados na natureza, onde pigmentos fotosensíveis são usados por plantas na fotossíntese.”Isto é uma prova do conceito celular”, disse o pesquisador Wayne Campbell, apontando para o modelo demonstrativo na mesa.

“Dentro de dois ou três anos nós iremos desenvolver um protótipo para aplicações reais. A tecnologia já poderia ser vendida, mas seria uma vergonha me desfazer dela agora.”

A chave para tudo é a capacidade dos corantes sintéticos de passar adiante a energia que eles alcançam – algo que um mero corante a base de água não pode fazer.

“Nós temos o corante “porphyrin” mais eficiente no mundo” (porphyrin= substância encontrada no protoplasma das plantas e animais), disse o diretor do centro, Ashton Partridge.

“É o mais eficiente já feito. Enquanto os outros estão com um trabalho relacionado, neste aspecto nós somos líderes mundiais”.

O desenvolvimento levou por volta de 10 anos e foi completado em seus estágios finais com financiamento da Fundação de Pesquisa, Ciência e Tecnologia da Royal Society da Nova Zelândia.

Agora a equipe está buscando um financiamento extra para comercializar.

“Esta tecnologia em particular, não requer a larga infraestrutura requerida pelos chips de silício e similares”, diz o Professor Partridge. Ela se utiliza do que já está em andamento localmente e das indústrias da Nova Zelândia.

Outros corantes que serão testados em células são baseados em hemoglobina, o composto que dá cor ao sangue.

O Dr. Campbell diz que ao contrário das células solares baseadas em silício, as baseadas em corante ainda são capazes de operar em baixas condições de luminosidade, tornando-as ideiais para climas nublados.

Elas também são mais amigáveis do ponto de vista ambiental, porque são feitas de dióxido de titânio, um mineral branco abundante e não-tóxico, disponível nas areias negras da Nova Zelândia.

O dióxido de titânio já é usado em produtos como cremes dentais, tintas brancas e cosméticos.

“O refino do silício, embora seja um mineral muito abundante, é caro energeticamente”, ele diz.O Professor Partridge diz que o próximo passo é tomar os corantes e incorporá-los aos materiais de telhados, pinturas de vidros e painéis de parede, onde poderão gerar eletricidade para os proprietários das casas.

docsity.com

A meta é desenvolver uma célula que possa converter tanta luz solar em eletricidade quanto possível.

“A energia que alcança a Terra a partir do sol em uma hora é mais do que a usada em todas as atividades humanas em um ano”. (Folha verde)

CÉLULA SOLAR ORGÂNICA BATE RECORDE DE EFICIÊNCIAA conversão da luz do Sol em eletricidade é hoje quase inteiramente feita por meio de células fotovoltaicas. Essas células fotoelétricas são parentes próximas dos transistores - são feitas do mesmo material, o silício, e por meio das mesmas técnicas. Isso as torna caras, ainda que não sejam um primor de eficiência.Célula Solar OrgânicaUma das alternativas mais promissoras em relação a essas células fotovoltaicas são as células solares orgânicas, que utilizam corantes sintéticos. Seu funcionamento é comumente descrito como fotossíntese artificial porque ele imita a forma como as plantas retiram energia do Sol. Tecnicamente elas são chamadas células solares DSC (Dye-sensitized Solar Cell, ou célula solar sensibilizada por corante).Agora, o pesquisador Wayne Campbell, da Universidade Massey, Nova Zelândia, anunciou ter conseguido sintetizar o mais eficiente corante jamais feito. Segundo ele, a nova molécula orgânica é capaz de converter a luz do Sol em energia elétrica a um custo de apenas 1/10 do custo da energia gerada pelas células fotovoltaicas.Clorofila sintéticaO corante, de cor verde, que faz as células solares orgânicas funcionarem, é chamado pelo pesquisador de clorofila sintética. Apesar de ter sido sintetizado em laboratório, o novo corante foi inspirado nas moléculas encontradas na natureza.Os cientistas também estão estudando outros corantes, como a porfirina, responsável pela cor vermelha do sangue humano (veja Proteínas do sangue geneticamente modificadas produzem hidrogênio a partir da luz solar).Energia solar na sombraA alta eficiência do novo corante permitiu a fabricação de células solares que apresentam excelente rendimento mesmo sem a incidência direta dos raios solares. Um célula de demonstração, medindo 10 x 10 centímetros foi capaz de gerar energia suficiente para girar um pequeno ventilador de computador.Além dos corantes sintéticos, as células solares orgânicas também utilizam dióxido de titânio como elemento ativo. Como o dióxido de titânio é utilizado em pastas de dentes, tintas e cosméticos, entre outros produtos, ele é barato e abundante, o que ajudará a baratear as novas células solares.FONTES DE PESQUISA: |

|

|

http://www.alterima.com.br/index.asp?InCdSecao=20&InCdEditoria=3&InCdMateria=55&pagin a=&C%E9lula+solar+org%E2nica+bate+recorde+de+efici%EAncia

BRIAN O'REGAN, MICHAEL GRÄTZEL, A low-cost, high-efficiency solar cell

based on dye-sensitized colloidal TiO2 films,Nature 353, 737 - 740 (24 October 1991)

docsity.com

AKIRA FUJISHIMA, KENICHI HONDA, Electrochemical Photolysis of Water at a Semiconductor Electrode, Nature 238, 37 - 38 (07 July 1972)

MINGKUI WANG, et all, A Novel Organic Redox Electrolyte Rivals Triiodide/iodide in Dye- Sensitized Solar Cells, Nature Chemistry Volume:2,Pages:385–389Year published:(2010)

ALVARENGA, Carlos Alberto. Energia solar. Lavras: UFLA/FAEPE, 2001.

Sistema Fotovoltaico. Disponível em http://www.solenerg.com.br/conceitos.

docsity.com

comentários (0)
Até o momento nenhum comentário
Seja o primeiro a comentar!
Esta é apenas uma pré-visualização
Consulte e baixe o documento completo
Docsity is not optimized for the browser you're using. In order to have a better experience we suggest you to use Internet Explorer 9+, Chrome, Firefox or Safari! Download Google Chrome