Células Solares a Base de Fruta - Dye-Sensitized Solar Cells - DSSCs


Pode parecer maluco, mas cientistas do Instituto Indiano de Tecnologia Roorkee (IIT) descobriram que o pigmento contido no jamelão, chamado de antocianina, e o qual também é encontrado em mirtilos, framboesas e cerejas, é capaz de absorver a luz do sol, podendo então ser usado para a fabricação de células solares.

Os pesquisadores extraíram a antocianina da fruta utilizando etanol, e a usaram como um sensibilizador em células solares sensibilizadas por corantes (“Dye-Sensitized Solar Cells”, ou DSSCs, em inglês). A conclusão foi que o uso de corantes naturais, como a antocianina do jamelão, para a fabricação dessas células, tornaria a produção em massa dos painéis solares até 40% mais barata. 


Porém, devido à baixa eficiência alcançada por essas células solares (0,5%), quando comparadas as de silício (15%), essa tecnologia fotovoltaica ainda deve ficar restrita ao campo experimental. 

Contudo, os cientistas se dizem animados e acreditam que, com o desenrolar das pesquisas, essa eficiência seja alcançada, ou até mesmo superada, fazendo das células solares sensibilizadas por corantes uma alternativa mais barata e sustentável, visto se tratar de um material orgânico e biodegradável, ao contrário das células de silício tradicionais que utilizam corantes sintéticos e tóxicos.

Painel Solar de Jambolão/Oliveira?

Você conhece o jamelão (Syzygium cumini)? Essa pequena fruta é conhecida por possuir benefícios medicinais, além de seu valor nutricional, e cresce em árvores oriundas do sul da Ásia. Mas o que isso tem a ver com a tecnologia fotovoltaica, você pode estar se perguntando.

Pode parecer maluco, mas cientistas do Instituto Indiano de Tecnologia Roorkee (IIT) descobriram que o pigmento contido no jamelão, chamado de antocianina, e o qual também é encontrado em mirtilos, framboesas e cerejas, é capaz de absorver a luz do sol, podendo então ser usado para a fabricação de células solares.

De acordo com o estudo, publicado recentemente no periódico científico IEEE Journal of Photovoltaics, os pesquisadores extraíram a antocianina da fruta utilizando etanol, e a usaram como um sensibilizador em células solares sensibilizadas por corantes (“Dye-Sensitized Solar Cells”, ou DSSCs, em inglês).

A conclusão foi que o uso de corantes naturais, como a antocianina do jamelão, para a fabricação dessas células, tornaria a produção em massa dos painéis solares até 40% mais barata.

Porém, devido à baixa eficiência alcançada por essas células solares (0,5%), quando comparadas as de silício (15%), essa tecnologia fotovoltaica ainda deve ficar restrita ao campo experimental.

Contudo, os cientistas se dizem animados e acreditam que, com o desenrolar das pesquisas, essa eficiência seja alcançada, ou até mesmo superada, fazendo das células solares sensibilizadas por corantes uma alternativa mais barata e sustentável, visto se tratar de um material orgânico e biodegradável, ao contrário das células de silício tradicionais que utilizam corantes sintéticos e tóxicos.


O dispositivo - DSSC

A DSSC original desenvolvida por Grätzel consiste em três partes principais: o anodo, o filme fino de TiO2 e o catodo. Sobre o anodo, constituído por um substrato de vidro recoberto com um filme fino de um óxido semicondutor transparente (como o FTO – óxido de estanho dopado com flúor) é depositado o filme de dióxido de titânio (TiO2), que deve ser constituído de nanopartículas a fim de ter uma grande porosidade e alta área superficial. 

Este anodo (eletrodo) então é imerso numa solução saturada de corante (geralmente um complexo de Ru) até que as moléculas do corante fiquem covalentemente ligadas na superfície do TiO2. O outro eletrodo, o catodo, é constituído pelo mesmo substrato de vidro recoberto com FTO recoberto com uma camada de Pt que tem o papel de catalisador na célula. Os eletrodos devem ser unidos (sanduichados), e entre eles é depositado um eletrólito, que geralmente é constituído por uma solução de iodo. A célula deve ser selada para que não haja vazamentos e o eletrólito não seja drenado.


Funcionamento

Para o bom funcionamento de uma DSSC a luz solar deve passar através do substrato de vidro, do filme de FTO e atingir o corante adsorvido na superfície da molécula de TiO2. O TiO2 absorve apenas uma pequena fração de fótons provenientes da luz solar (na região do UV). Os fótons que atingirem o corante e tiverem energia suficiente para serem absorvidos, criam um estado excitado no corante, de onde um elétron pode ser ejetado e ir diretamente para a banda de condução do TiO2. 

O elétron então se difunde através do TiO2 até o catodo. Devido à perda do elétron a molécula de corante se decompõe, mas em seguida é regenerada por um elétron proveniente do eletrólito de iodo, que é oxidado ao íon triiodeto (I3-). Esta reação ocorre muito rápido se comparado ao tempo que leva para o elétron que foi ejetado voltar à molécula que foi oxidada. Esta diferença no tempo de reação evita a recombinação, que poderia provocar um curto-circuito na CS. Por sua vez, o íon triiodeto recupera seu elétron perdido através de difusão até o catodo, onde o contra eletrodo (Pt) reintroduz o elétron após este fluir através do circuito externo.


Corantes

Teoricamente, um bom corante deverá absorver o máximo possível em todo espectro solar, ligar-se fortemente à superfície semicondutora, ter um potencial redox adequado e ser estável por vários anos de exposição solar. Dentre os tipos de corantes utilizados recentemente na produção de DSSC podem-se destacar os complexos de metais de transição, como N3 e Black Dye, este apresentado na Figura 4. Também podem ser utilizados corantes naturais, extraídos de folhas e frutos que possuem principalmente antocianinas, como a jabuticaba, mirtilo, amora, entre outros.


Eficiência

Muitas medidas são utilizadas na caracterização das DSSC, porém a mais importante é a medida da energia elétrica produzida por quantidade de energia solar incidida na célula. Esta medida é expressa em porcentagem e é conhecida como eficiência de conversão solar. A potência é o produto da tensão e corrente, então os valores máximos dessa medida é importante, assim como a Jsc (densidade de corrente de curto circuito) e Voc (tensão de circuito aberto). 


Ainda, a eficiência quântica pode ser usada para comparar a probabilidade que um fóton (com uma certa energia) irá promover um elétron. Devido ao fato das nanopartículas de TiO2 estarem recobertas com o corante, logo uma grande área superficial, existe uma grande probabilidade de que o fóton incidente promova um elétron, assim em termos de eficiência quântica, as DSSC são muito eficientes. Teoricamente, a tensão máxima gerada por cada célula é a diferença entre o (quasi-)Fermi level do TiO2 e o potencial redox do eletrólito, em torno de 0,7 V sob iluminação (Voc). Isto é, uma DSSC iluminada conectada a um voltímetro em circuito aberto deve ser lida a tensão de 0,7 V. 

Embora o corante seja altamente eficaz na conversão dos fótons absorvidos em elétrons livres no TiO2, apenas os fótons absorvidos pelo corante irão produzir corrente. A taxa de absorção de fótons depende do espectro de absorção da camada de TiO2 sensibilizadas pelo corante, sobre o espectro de fluxo solar. A sobreposição dos dois espectros determina a possibilidade máxima de fotocorrente. 

Os corantes tipicamente utilizados têm baixa absorção na parte vermelha do espectro se comparado ao silício, o que significa que um menor número de fótons são utilizados para a geração de corrente. Estes fatores limitam a corrente gerada por um DSSC, para comparação, uma célula de silício solar tradicional proporciona cerca de 35 mA/cm2, e as DSSCs atuais geram cerca de 20 mA/cm2.


Degradação

As DSSCs degradam-se quando expostas à radiação ultravioleta. Por isso o eletrodo pode ser constituído de estabilizadores de UV e/ou UV cromóforos luminescentes (que absorvem a radiação solar e emitem em comprimentos de onda mais longos) e anti-oxidantes, que protegem e aumentam a vida útil da célula.



Vantagens

A DSSC apresenta boa eficiência em relação ao custo de produção, em torno de 11%, sendo reportado até 12,3%. Isto faz das DSSCs atraentes como substituto para as tecnologias existentes em aplicações como coletores solares no telhado, onde a robustez mecânica e leveza do coletor são grandes vantagens.


Desvantagens

A principal desvantagem nas DSSCs é o uso do eletrólito líquido, que apresenta problemas em relação à estabilidade e temperatura. Em baixas temperaturas o eletrólito pode congelar, interrompendo o processo da célula. Em altas temperaturas o líquido pode expandir-se, e vazar do dispositivo se este não estiver com uma vedação perfeita. Ainda, o eletrólito possui compostos orgânicos voláteis (solventes), que devem ser cuidadosamente vedados, pois podem ser prejudiciais à saúde humana e ao ambiente.

Estas desvantagens, junto ao fato dos solventes permearem substratos poliméricos, têm impedido sua aplicação em larga escala ao ar livre, assim como sua integração em estruturas flexíveis. A substituição do eletrólito líquido por um sólido ou em gel tem sido amplamente estudada. Trabalhos recentes utilizando sais fundidos solidificados têm se mostrados promissores, porém possuem taxa de degradação ainda maior durante o funcionamento contínuo e não são flexíveis.


Mercado

Atualmente existem empresas que comercializam os suprimentos para a construção de DSSC e algumas até os próprios painéis, como: 

- Solaronix, uma empresa suíça especializada na produção de materiais para DSSCs desde 1993 e em 2010 ampliou suas instalações para sediar uma linha piloto de produção de módulos de DSSC 

-Solar Print fundada em 2008, é uma marca irlandesa que comercializa painéis. Esta empresa busca a inovação do eletrólito líquido, que tem dificultado a comercialização das DSSC. 


- Dyesol abriu oficialmente suas novas instalações de produção em Canberra Austrália no dia 7 de outubro de 2008. Esta empresa tem parcerias com a Tata Steel (TATA-Dyesol) e Pilkington vidro (Dyetec-Solar) para a fabricação e desenvolvimento em grande escala de DSSCs. 

- Sony Corporation desenvolveu DSSC com uma eficiência de conversão de energia de 10%, um nível considerado necessário para uso comercial.

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