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Energia solar – Origens & conversões
Prof. Dr. André Sarto Polo
Centro de Ciências Naturais e Humanas – UFABC
Espectro solar
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 40000,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8Ir
rad
iân
cia
esp
ectr
al /
W.m
-2
/ nm
Visivel = 44% do total da luz solar incidente
http://science.energy.gov/~/media/bes/pdf/reports/files/seu_rpt_print.pdf
U.S. Department of Energy
Aproveitamento da luz solar
The production of 20 TW of power, the world’s mid-century projected demand, would require covering0.16 % of Earth’s land (red squares) with 10%-efficient solar panels (courtesy of Prof. Nathan Lewis, Caltech, Pasadena).
N. Armaroli and V. Balzani, Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 2007, 46, 52-66.
Teoria de bandas
CB
VB
CB = Banda de condução VB = Banda de valência
Egap
Condutor
Isolante
Semicondutor
Dopagem
CB
VB
CB = Banda de condução VB = Banda de valência h+ = Buraco
Semicondutor (14Si) Si:15P Si:5B
Tipo n Tipo p
Silício • Ocorrência: SiO2
• Obtenção:
SiO2(ℓ) +2C(s) → Si(ℓ) + 2CO(g)
PF (°C)~ 1700 1400
• Purificação
SiCl2(ℓ) +2H2(g) → Si(s) + 4HCl(g)
Refino por zona
• Dispositivos que convertem a luz solar em eletricidade
• Concepção diferente das células solares de junção p-n
• Aumento da eficiência devido a utilização de semicondutor mesoporoso e nanoestruturado – Inovações publicadas por Grätzel no início da década de 90
Células Solares Sensibilizadas por Corantes
• Vantagens – Utilização de
materiais baratos – Processos simples – Possibilidade de
transparência – Tempo de vida
estimado em 20 anos
Células Solares Sensibilizadas por Corantes
A.S. Polo, M.K. Itokazu, and N.Y. Murakami Iha, Coord. Chem. Rev. 2004, 248, 1343-1361.
Fachada envidraçada do Swiss Tech convention Center – EPFL (http://www.tstcc.ch/en/index.php)
Características para corantes sensibilizadores
• Absorção de luz visível
• Adsorção química ao semicondutor
• Rapidamente regenerados pelo par redox do mediador
• Possuir níveis de energia adequados para injetar elétrons na BC do semicondutor
• cis-[bis-(ácido 4,4’-dicarboxílico-2,2’-bipiridina)di-(isotiocianato)rutênio(II)], N3
• h = 11,04 %; Jsc = 17 mA cm-2; Voc = 0,87 V
Células Solares Sensibilizadas por Corantes Sintéticos
M. Grätzel, Current Applied Physics 6S1 (2006) e2–e7
• Analisando o N3!
Células Solares Sensibilizadas por Corantes Sintéticos
Ru(II)
N
N
SCN
N
NCS
N
O OH
O
OH
O
OH
O
OH
Md. K. Nazeeruddin et al, Inorg. Chem. 1999, 38, 6298-6305
• Analisando o N3!
Células Solares Sensibilizadas por Corantes Sintéticos
Ru(II)
N
N
SCN
N
NCS
N
O OH
O
OH
O
OH
O
OH
400 500 600 700 800 9000,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
/
10
4 L
.mo
l-1cm
-1
/ nm
MLCTRu-dcbH2
e-
• Usando o conhecimento do N3!
N
N
N
NCS
N
SCN
Ru
O OH
O
OH
Z907 η = 6.2%
N
N
N
NCS
N
SCN
Ru
O OH
O
OH
Se
Se
CH3
CH3
C105 η = 10.06%
N
N
N
NCS
N
SCN
Ru
O O-
O
OH
S
S
Na+
C101 η = 11.3%
Gao, F. et al., J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 10720.; Wang, P., et al., Nature Materials, 2003, 2, 498.
Células Solares Sensibilizadas por Corantes Sintéticos
• Usando o conhecimento do N3!
Onozawa-Komatsuzaki, N., et al., New Journal of Chemistry, 2006, 30, 689. Reynal, A., et al., European Journal of Inorganic Chemistry, 2008, 1955. Sun, Y.L., et al., Acs Applied Materials & Interfaces, 2010, 2, 2039.
N
N
N
NCS
N
SCN
Ru
O OH
O
OH
N
N
N
NCS
N
SCN
Ru
O OH
O
OH
N
N
N
N
N
NCS
N
SCN
Ru
O OH
O
OH
N
N
N
NCS
N
SCN
Ru
O O-
O
OH
+N(C4H9)4
Células Solares Sensibilizadas por Corantes Sintéticos
• Usando o conhecimento do N3!
Ru(II)
N
N
SCN
N
NCS
N
O OH
O
OH
N N
N N
N N
Células Solares Sensibilizadas por Corantes Sintéticos
Medidas de desempenho
Espectro de ação de fotocorrente (IPCE) Curvas de corrente versus potencial (IV)
Fotossíntese Artificial
• Obtenção de produtos de alto conteúdo energético a partir de reagentes simples e luz.
MIMETIZAR O SISTEMA FOTOSSINTÉTICO
Armazenar a energia luminosa em produtos químicos
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