AVALIAÇÃO DA EFICIÊNCIA DE CONVERSÃO DE ENERGIA SOLAR DE CÉLULAS FOTOVOLTAICAS SENSIBILIZADAS POR DIVERSOS CORANTES NATURAIS

Abstract

For the sake of industrial development and population growth, there is an unlimited consumption of electrical energy. This action has caused imbalances in the ecosystem over the years and will have serious consequences in the future. In the meantime, dye-sensitized solar cells (DSSC’s) have emerged as a sustainable alternative, not generating polluting waste, in a simple way and at a reduced cost compared to silicon-based solar cells. This work addresses the innovative manufacturing of DSSC’s, using pigments extracted for the first time from two different fruits and flowers: atemoia (Annona atemoya), physalis (Physalis peruviana). astromelia (Alstroemeria) and alpinia (Alpinia purpurata). To extract the natural coloring from the fruits studied, studies were carried out using the solvent-based method: methanol, ethanol, isopropyl alcohol and distilled water. The cells were prepared using TiO2 as a semiconductor layer and natural dyes extracted from fruits: Annona atemoya and Physalis peruviana and flower petals from: Alstroemeria and Alpinia purpurata were applied to construct the cell. Using the spin coating method, the TiO2 thin films were placed on thin films coated with transparent Fluorine-doped Tin Oxide (FTO). Next, an Atomic Force Microscope (AFM) analysis was carried out in the structural characterization, to verify the morphological structure of the TiO2 deposited in the thin film. The Scanning Electron Microscope (SEM) was used for the purpose of verifying the morphological characteristics. To analyze anthocyanin radicals, the Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) technique was applied to the extract of dyes from the fruits studied. For electrochemical analyses, a multipotentials was used in conjunction with a Solar Simulator. All cells were evaluated for open circuit potential (Voc), photocurrent density (Jsc), curve filling factor (FF) and efficiency (η). The results revealed promising parameters for cells with atemoya, alpinia, astromelia and physalis dyes, which presented, respectively, energy conversion efficiency of 2.15%, 1.74%, 0.65% and 0.34%. In general, in this work it was possible to verify that the construction of solar cells from natural dyes at a reduced cost is a promising, sustainable and viable study alternative to traditional silicon cells.

O desenvolvimento industrial e o aumento populacional aumentaram significativamente o consumo de energia elétrica. Este crescimento do consumo vem ocasionando, ao longo dos anos, um desequilíbrio ambiental e poderá apresentar sérias consequências no futuro. Nesse ínterim, as células solares sensibilizadas por corante (DSSC’s) surgem como uma alternativa sustentável, não poluente, de síntese simples e com custo reduzido comparado com células solares à base de silício. Este trabalho aborda um estudo comparativo e a fabricação de DSSC’s, utilizando pigmentos extraídos de duas frutas e duas flores distintas: atemoia (Annona atemoya), physalis (Physalis peruviana), astromélia (Alstroemeria) e alpínia (Alpinia purpurata). De maneira complementar foi realizada uma análise da remoção desses corantes com o uso de diferentes solventes: metanol, etanol, álcool isopropílico e água destilada. As células foram preparadas usando TiO2 como camada semicondutora e os corantes naturais extraídos das frutas Annona atemoya e Physalis peruviana e pétalas de flores de Alstroemeria e Alpinia purpurata foram utilizados na construção da célula. Utilizando o método de spin coating, os filmes finos de TiO2 foram revestidos em Óxido de Estanho dopado com Flúor (FTO) transparente. Em seguida, foi realizada uma caracterização estrutural através do Microscópio de Força Atômica (AFM), para verificação da estrutura morfológica do TiO2 depositado no FTO. O Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) foi usado com o propósito de verificar as características microestruturais do revestimento. Para analisar os radicais de antocianina, foi aplicada a técnica de Espectroscopia de Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR) no extrato dos corantes das frutas estudadas. Para as análises eletroquímicas, foi utilizado um Multipotenciostato em conjunto com um Simulador Solar. Todas as células foram avaliadas quanto ao potencial de circuito aberto (Voc), densidade de fotocorrente (Jsc), fator de preenchimento da curva (FF) e eficiência (η). Os resultados revelaram parâmetros promissores para as células com os corantes de atemoia, alpinia, astromélia e physalis que apresentaram, respectivamente, eficiência de conversão de energia de 2,15%, 1,74%, 0,65% e 0,34%. Neste trabalho foi possível verificar que a construção de células solares, a partir de corantes naturais, a um custo reduzido é uma alternativa de estudo promissora, sustentável e viável como alternativa às células tradicionais de silício.