ISBN 978-85-85905-10-1
Área
Físico-Química
Autores
Silva, G.P.O. (IQB/UFAL) ; Soares, W.M.G. (IQB/UFAL) ; Vermelho, M.V.D. (IQB/UFAL) ; Tonholo, J. (IQB/UFAL) ; Zanta, C.L.P.S. (IQB/UFAL) ; Ribeiro, A.S. (IQB/UFAL)
Resumo
Os corantes naturais têm sido objeto de investigação para aplicação em células solares devido, principalmente, a sua facilidade de extração e seu baixo custo. Uma das principais características ópticas do corante estudado neste trabalho é sua intensa absorção na região visível do espectro eletromagnético. O objetivo deste trabalho é investigar a possibilidade de utilização de um corante natural de hibisco obtido na forma liofilizada na preparação de células solares de TiO2. Foram preparadas células solares a partir de diferentes frações do extrato de Hibisco liofilizado e purificado em coluna cromatográfica. Tais células solares foram caracterizada através de técnicas fotoeletroquímicas alcançando IPCE e eficiência de conversão máxima de 1,40 % e 0,048%.
Palavras chaves
Células Solares; Corantes Naturais; TiO2
Introdução
Células solares sensibilizadas com corantes, conhecidas como “células de Grätzel”, têm recebido grande atenção devido à relação custo-benefício quando comparadas com as células convencionais de silício, apresentando eficiência de conversão superior a 13%. Os corantes que apresentam melhores resultados em termos de conversão e longa estabilidade são aqueles contendo complexos polipiridínicos de rutênio, entretanto, estes são de alto custo. Uma alternativa para a substituição destes corantes é a utilização de corantes naturais que possuem pigmentos fotossensibilizadores, que absorvem energia na região visível. (MATHEW at. al, 2014) Este trabalho visa a preparação e caracterização de uma célula solar de TiO2 baseada em corante natural (Hibisco) extraído e fracionado a partir do processo de cromatografia em coluna como forma alternativa de melhorar a eficiência da célula solar.
Material e métodos
O Hibisco seco foi imerso em água destilada (5% m/m) e mantido sob aquecimento a 90 °C durante 40 minutos. A solução aquosa obtida foi liofilizada e o extrato bruto e seco foi purificado através de cromatografia em coluna usando como eluente misturas em diferentes proporções de acetato de etila e metanol. Os espectros das frações individuais do corante de Hibisco foram obtidos em um espectrofotômetroHewlett Packard 8453. A célula solar foi montada com a seguinte configuração ITO/TiO2 nanoparticulado/corante de Hibisco /eletrólito polimérico/filme de platina/ITO. O filme de TiO2 foi preparado a partir de uma solução de TiO2, Polietilenoglicol (PEG), acetilacetona e Triton-X100 em água destilada. A mistura foi mantida sob agitação e a solução foi depositada sobre o eletrodo (ITO). Após secagem a temperatura ambiente o filme foi sinterizado a 500 °C. Em seguida o filmefoi imerso na solução de corante por 18h.O eletrólito polimérico foi preparado a partir da mistura doelastômero poli(epicloridrina-co-óxido de etileno) em tetraidrofurano (THF) eetanol. Foram adicionadoiodeto de sódio (NaI) e iodo ressublimado (I2)à mistura que foi mantida sob agitação por 24 h.O filme de Platina foi depositado sobre o eletrodo ITO utilizando a técnica de sputtering. O eletrólito polimérico foi depositado sobre o eletrodo TiO2 sensibilizado com o corante e sobre o contra eletrodo de ITO/Platina. Após 1 h o eletrodo foi unido ao contra eletrodo. A caracterização das células solares foi realizada em um potenciostato/galvanostato PGSTAT302N Metrohm-Autolab utilizando o LED Driver Metrohm-Autolab, com lâmpada Âmbar 590 nm e com o auxílio de uma lâmpada como simulador solar. A eficiência da célula foi calculada pelo software do equipamento.
Resultado e discussão
A avaliação dos espectros de absorção das frações cromatográficas obtidas após a
purificação do corante de Hibisco liofilizado mostrou que as frações obtidas a
partir da mistura de acetato de etila/metanol 1:1 (50 % metanol) e em metanol
puro (100 %) apresentaram maior absorção na região visível, sendo estas as
frações utilizadas na preparação de células solares. Além destas, foram também
montadas células solares com o corante liofilizado sem separação cromatográfica
dos diferentes componentes do extrato.
Os resultados de eficiência das células solares são apresentados na Tabela 1,
onde é possível observar que a célula solar construída a partir da fração
extraída em metanol (100 %) do corante de Hibisco liofilizado apresentou maior
eficiência média de conversão (valor médio obtido na análise de 3 células
solares construídas com a mesma fração do extrato do corante).
Ao ser comparado com os valores de IPCE (Eficiência de Conversão da Incidência
de Fóton-corrente) e η (Eficiência Percentual) descritos em literatura, que são
respectivamente de 37% e 0,16 a 0,75% (YUSOFF at. al, 2014; ALHAMED, 2012), os
resultados obtidos neste trabalho são bastante inferiores, todavia, os
resultados obtidos na célula usada para comparação também o é, mostrado que os
resultados obtidos pelo método de separação são bons, entretanto há deficiência
no método de montagem do grupo, que ainda está sendo aperfeiçoado. No momento
que o grupo alcançar o método de montagem mais eficiente e a célula utilizada
para comparação alcançar a eficiência das citadas em literatura, a eficiência da
célula montada com o método de separação será significativamente maior.
Valores de IPCE e eficiência média de conversão das células solares baseadas em TiO2-corante de hibisco liofilizado.
Conclusões
Foi possível otimizar a eficiência de conversão de células solares baseadas em extrato de hibisco através do processo de liofilização do corante e separação dos seus componentes a partir de cromatografia em coluna. Apesar das células ainda não alcançarem uma eficiência que permitam a substituição dos corantes sintéticos à base de Rutênio, a metodologia de montagem e caracterização está sendo otimizada e espera-se alcançar maiores eficiências para este tipo de célula solar.
Agradecimentos
CNPq, CAPES, e Prof. Dr. Angelo Golbi, Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) pela deposição da platina por sputtering.
Referências
ALHAMED, M. ISSA, A. S. DOUBAL, A. W. Studying of Natural Dyes Properties as Photo-Sensitizer for Dye Sensitized Solar Cells (DSSC). Journal of Electron Devices, Vol. 16, ISSN: 1682 -3427, pp. 1370-1383, 2012.
MATHEW, S. YELLA, A. GAO, P. HUMPHRY-BAKER, R. CURCHOD, B. F. E. ASHARI-ASTANI, N. TAVERNELLI, I. ROTHLISBERGER, U. NAZEERUDDIN, M. K. GRÄTZEL M. Dye-sensitized solar cells with 13% efficiency achieved through the molecular engineering of porphyrin sensitizers. Nature Chemistry, 6, 242–247, doi:10.1038/nchem.1861, 2014.
YUSOFF, A. KUMARA, N. T. R. N. LIM, A. EKANAYAKE, P. TENNAKOON, K. U. Impacts of Temperature on the Stability of Tropical Plant Pigments as Sensitizers for Dye Sensitized Solar Cells. Hindawi Publishing Corporation, Journal of Biophysics, Volume 2014, Article ID 739514, 2014.
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