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Type: Tese
Title: Fotoeletrodo híbrido formado por TiO2/lignina depositados por spin coating com aplicação em células solares sensibilizadas por corante (CSSC)
Title in English: Hybrid photoelectrode formed by TiO2/lignin deposited by spin coating with application in dye-sensitized solar cells (CSSC)
Authors: Teixeira, Edwalder Silva
Advisor: Freire, Francisco Nivaldo Aguiar
Keywords: Células solares;Conversão de energia;Energia renovável;Lignina
Issue Date: 24-Jun-2022
Citation: TEIXEIRA, E. S. Fotoeletrodo híbrido formado por TiO2/lignina depositados por spin coating com aplicação em células solares sensibilizadas por corante (CSSC). 2022. 107 f. Tese (Doutorado em Engenharia e Ciência de Materiais) – Universidade Federal do Ceará, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-graduação em Engenharia e Ciência de Materiais, Fortaleza, 2022.
Abstract in Brazilian Portuguese: O consumo crescente de energia mundial com um possível esgotamento dos combustíveis fósseis apresenta uma necessidade cada vez maior para o desenvolvimento e a utilização de fontes de energias renováveis. Deste modo, as células solares têm ganhado espaço e dentre as diversas categorias de células solares, as células solares sensibilizadas por corantes (CSSC) apresentam excelentes eficiências na conversão da energia luminosa em elétrica. No entanto, para que essas células ganhem competividade no mercado de energia é necessário além da eficiência, vida útil prolongada e baixo custo de fabricação. Desse modo, nesta tese de doutorado filmes finos híbridos formados por TiO2 (dióxido de titânio 99% de pureza, fase anatase) juntamente com lignina sem modificação na sua estrutura foram depositados através da técnica de spin coating com aplicação nos fotoeletrodos das CSSC. O TiO2 não é um material adequado para utilização em CSSC devido não possuir absorção da energia luminosa na região do visível do espectro solar. No entanto, a sua combinação com a Lignina permite a absorção da região do ultravioleta ao visível e a fabricação de um filme fino hibrido de TiO2/Lignina com excelente eficiência, além de baixo custo de fabricação. Assim, para atingir o objetivo dessa tese, um equipamento de “spin coater” foi desenvolvido e fabricado com materiais alternativos. Para sua validação, filmes finos de TiO2 foram depositados por “spin coating” sobre filmes de TiO2 transparente (comercial). Em seguida, filmes finos híbridos TiO2/lignina em porcentagens de 5 (EST5LG), 10 (EST5LG) e 15% (EST5LG) de lignina, foram depositados sobre filmes de TiO2 opaco (comercial) com aplicação nos fotoeletrodos das CSSC. Os filmes finos depositados por “spin coating” foram caracterizados morfologicamente (UV-vis, MEV, EDS e Difração Raio-X) e eletricamente. Os resultados indicaram que os filmes finos de TiO2/TiO2 transparente (comercial) apresentaram espessura de 65,9 μm e eficiência de ƞ = 12,74%, valor já próximo dos atuais 13% da tecnologia. E para os filmes finos híbridos de TiO2/lignina, o filme com 15% de lignina (EST15LG) foi o que apresentou os melhores resultados. Espessura de 11,59 μm, com redução do band gap de 3,66 para 2,84 eV, densidade de corrente de 11,06 mA/cm2 e uma eficiência de ƞ = 4.65%, valor superior da célula solar montada somente com o filme fino de TiO2 comercial opaco (ƞ = 2,00%). Os resultados morfológicos indicaram também que a presença da lignina na matriz do TiO2 se comportou tanto como um bom absorvedor dos raios ultravioletas quanto para luz visível do espectro solar. E raio X indicou que a adição da lignina na matriz do TiO2 não modificou a sua estrutura com a presença dos picos característicos do TiO2 fase anatase. E a análise de EDS permitiu identificar redução das proporções relativas das quantidades (Wt%) dos principais elementos presentes (Ti/O) em uma área específica, de 4,54 (EST5LG) para 3,66 (EST15LG). Está redução permitiu obter filmes finos com maior área superficial e tamanho do grão, de modo que mais corante pode ser adsorvidos na superfície do filme e consequentemente maior a eficiência da célula solar. Diante dos resultados foi possível concluir que filmes finos de TiO2 e TiO2/lignina apresentaram um bom controle da espessura e morfologia. De modo a indicar à possibilidade da obtenção de filmes finos TiO2/lignina com aplicação nos fotoeletrodos das CSSC de forma eficiente, econômica e sustentável. Além do mais, o equipamento desenvolvido fabricado com materiais alternativos se mostrou eficiente e eficaz para deposição de filmes finos em células solares sensibilizada por corante, por um método simples e de baixo custo.
Abstract: The growing world energy consumption with a possible depletion of fossil fuels presents an increasing need for the development and use of renewable energy sources. In this way, solar cells have gained space and among the various categories of solar cells, dye-sensitized solar cells (DSSC) have excellent efficiencies in converting light energy into electrical energy. However, for these cells to gain competitiveness in the energy market, it is necessary in addition to efficiency, long life and low manufacturing cost. Thus, in this doctoral thesis, thin hybrid films formed by TiO2 (99% pure titanium, anatase phase) together lignin without modification in its structure were deposited using the “spin coating” technique applied to the DSSC photoelectrodes. TiO2 is not a suitable material for use in CSSC due to its lack of energy absorb in the visible region of the solar spectrum. However, its combination with Lignin allows absorption from the ultraviolet to visible region and the manufacture of a TiO2/Lignin hybrid thin film with excellent efficiency, in addition to low manufacturing cost. Thus, to achieve the objective of this thesis, a “spin coater” equipment was developed and manufactured with alternative materials. For its validation, thin TiO2 films were deposited by spin coating on transparent TiO2 films (commercial). Then, TiO2/lignin hybrid thin films in percentages of 5 (EST5LG), 10 (EST5LG) and 15% (EST5LG) of lignin, were deposited on commercial TiO2 films (opaque) with application on CSSC photoelectrodes. The thin films deposited by “spin coating” were characterized morphologically (UV-vis, SEM, EDS and X-ray) and electrically. The results indicated that the transparent TiO2/TiO2 thin films (commercial) had a thickness of 65.9 μm and an efficiency of ƞ = 12.74%, a value already close to the current 13% of the technology. And for the TiO2/lignin hybrid thin films, the film with 15% lignin (EST15LG) showed the best results. Thickness of 11.59 μm, with band gap reduction from 3.66 to 2.84 eV, current density of 11.06 mA/cm2 and an efficiency of ƞ = 4.65%, superior value of the solar cell mounted only with the opaque thin film (ƞ = 2.00%). The morphological results also indicated that the presence of lignin in the TiO2 matrix behaved both as a good absorber of ultraviolet rays and for the absorption of visible light. And X-ray indicated that the addition of lignin in the structure of TiO2 did not change its structure with the presence of peaks characteristic of TiO2 anatase phase. And the EDS analysis allowed to identify a reduction in the relative proportions of the amounts (Wt%) of the main elements present (Ti/O) in a specific area, from 4.54 (EST5LG) to 3.66 (EST15LG). This reduction allowed to obtain thin films with larger surface area and grain size, so that more dye can be adsorbed on the surface of the film and consequently higher the efficiency of the solar cell. In view of the results, it was possible to conclude that thin films of TiO2 and TiO2/lignin showed good control of thickness and morphology. In order to indicate the possibility of obtaining TiO2/lignin thin films with application in CSSC photoelectrodes in an economical and sustainable way. Furthermore, the developed equipment assembled with alternative materials proved to be efficient for deposition of thin films in dye-sensitized solar cells, by a simple and low cost method.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/71003
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