Estudo de eletrólito polimérico de base natural para aplicação em células solares do tipo CSSC e QDSSC
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Data
Autores
Orientador(es)
Coorientador(es)
Raphael, Ellen
Membros da banca
Braga, Neila de Almeida
Pocrifka, Leandro Aparecido
Fonseca, André Felipe Vale da
Avellaneda, César Antonio Oropesa
Pocrifka, Leandro Aparecido
Fonseca, André Felipe Vale da
Avellaneda, César Antonio Oropesa
Pós-Graduação
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ISSN da Revista
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Editor
Universidade Federal do Amazonas
Tipo
Direito de acesso
DOI
Resumo
As células solares sensibilizadas, dentre as chamadas células emergentes,
possibilitam a utilização de materiais de baixo custo. Os corantes e polímeros naturais
são exemplos de materiais de baixo custo e com boas perspectivas para aplicação
em células solares. Este trabalho tem a intenção de estudar polímeros naturais para
a utilização em células solares sensibilizadas por pontos quânticos de CdS e
CdSe/CdS, e propõe uma cossensibilização, combinando um corante natural extraído
do jenipapo amazônico e pontos quânticos de CdS. Foi realizado um estudo da melhor
composição para o preparo dos eletrólitos poliméricos, a partir de goma de mandioca,
xantana e amido de milho, sendo obtidos melhores resultados para utilização de
glicerina, como agente plastificante, e formaldeído, como agente reticulante. A goma
de mandioca obteve melhor desempenho em testes preliminares de caracterizações
fotoeletroquímicas em dispositivos sensibilizados por CdS e foi selecionada para
continuidade deste estudo. Foram realizadas algumas tentativas de dopagens do
eletrólito polimérico com ácido cítrico, ácido acético e perclorato de lítio. Este último
obteve melhor compatibilidade e sua concentração foi otimizada através de estudos
de espectroscopia de impedância eletroquímica em diferentes temperaturas para
obter a condutividade de filmes preparados. A propriedade dielétrica e da
condutividade elétrica dos eletrólitos poliméricos foi estudada na faixa de frequência
de 2 MHz a 20 mHz. A concentração ótima de dopagem foi de 2%, que atingiu
condutividade elétrica de 1,48 x 10-2 S.cm-1
. Empregando o eletrólito polimérico em
células sensibilizadas por CdSe/CdS foi medido uma eficiência de 5,51%, superior ao
eletrólito líquido que foi de 4,97%. A estabilidade das células foi monitorada por
análises de seus parâmetros fotoeletroquímicos durante sete dias, após este período
a eficiência do dispositivo contendo o eletrólito polímérico decaiu 22,63% e com o
eletrólito líquido 52,9%. Em relação ao estudo de corante natural, os resultados
observados pelas análises de absorção no UV-Vis e caracterizações
fotoeletroquímicas permitiram garantir o potencial de cossensibilização por pigmento
natural e ponto quântico de fotoanodos. Esses fotoanodos foram testados em células
usando S2-
/Sn2- ou I-
/I3- como eletrólitos redox. Embora os resultados das células
cossensibilizadas tenham sido inferiores às células solares sensibilizadas apenas com
CdS ou N3, as células solares cossensibilizadas utilizando o corante natural de
jenipapo apresentam melhor eficiência de conversão fotovoltaica (corante de
jenipapo/CdS = 0,70%) e estabilidade quando comparadas às células
cossensibilizadas com o corante sintético convencional utilizado N3 (N3/CdS =
0,25%). Foram estudados novos contra eletrodos utilizando grafeno com metais de
cobalto e níquel. A eletrodeposição simultânea de grafeno e metais indicaram que o
cobalto apresenta melhor resposta cinética de transferência de elétrons quando
utilizados eletrólito de polissulfeto. Este trabalho o potencial de polímeros naturais e
corantes naturais oriundos da região amazônica para aplicações em novas
tecnologias de células solares.
Abstract
Sensitized solar cells, among the so-called emerging cells, enable the use of low cost
materials. Natural dyes and polymers are examples of such materials with promising
prospects for solar cell applications. This work aims to study natural polymers for use
in solar cells sensitized by CdS and CdSe/CdS quantum dots and proposes co sensitization, combining a natural dye extracted from the Amazonian jenipapo fruit and
CdS. A study was conducted to find the best composition for preparing polymeric
electrolytes, using cassava gum, xanthan gum, and corn starch, with better results
obtained using glycerin as a plasticizing agent and formaldehyde as a cross-linking
agent. Cassava gum performed better in preliminary photoelectrochemical
characterizations in CdS sensitized devices and was selected for further study. Several
attempts were made to dope the polymeric electrolyte with citric acid, acetic acid, and
lithium perchlorate. The latter showed better compatibility, and its concentration was
optimized through electrochemical impedance spectroscopy studies at diFFerent
temperatures to obtain the conductivity of prepared films. The dielectric property and
electrical conductivity of the polymeric electrolytes were studied in the frequency range
of 2 MHz to 20 mHz. The optimal doping concentration was 2%, achieving an electrical
conductivity of 1.48 x 10-2 S.cm-1
. When employing the polymeric electrolyte in
CdSe/CdS sensitized cells, an eFFiciency of 5.51% was measured, higher than the
liquid electrolyte, which was 4.97%. The stability of the cells was monitored by
analyzing their photoelectrochemical parameters for seven days, during which the
eFFiciency of the device containing the polymer electrolyte decreased by 22.63%, and
the liquid electrolyte by 52.9%. Regarding the study of natural dye, results from UV-vis
absorption analyses and photoelectrochemical characterizations ensured the potential
for co-sensitization by natural pigment and quantum dot photoanodes. These
photoanodes were tested in cells using S2- /Sn
2- or I-
/I3
- as redox electrolytes. Although
the results of co-sensitized cells were inferior to cells sensitized only with CdS or N3,
co-sensitized solar cells using the natural jenipapo dye showed better photovoltaic
conversion eFFiciency (jenipapo dye/CdS = 0.70%) and stability compared to cells co sensitized with the conventionally used synthetic dye N3 (N3/CdS = 0.25%).
Additionally, new counter electrodes using graphene with cobalt and nickel metals
were studied. The simultaneous electrodeposition of graphene and metals indicated
that cobalt exhibits a better kinetic response for electron transfer when a polysulfide
electrolyte is used. This work demonstrates the potential of natural polymers and dyes
from the Amazon region for applications in new solar cell technologies.
Descrição
Palavras-chave
Termo controlado
Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS)
Citação
PONTES, Fagnaldo Braga. Estudo de eletrólito polimérico de base natural para aplicação em células solares do tipo CSSC e QDSSC. 2024. 127 f. Tese (Doutorado em Química) - Universidade Federal do Amazonas, Manaus (AM), 2024.
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