Energia solar Origens & conversões - SQBF - Grupo de Síntese,...

Energia solar – Origens & conversões

Prof. Dr. André Sarto Polo

Centro de Ciências Naturais e Humanas – UFABC

Fontes Alternativas

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.

Distribuição da radiação solar no Brasil

Conversão 1 – Luz solar em energia térmica

• 1800 - Herschel

Conversão 2 – Luz solar em energia elétrica

Teoria de bandas

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

Teoria de bandas

CB

VB

CB = Banda de condução VB = Banda de valência

e-

h+

hn

h+ = Buraco

Egap

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

Células solares de junção p-n

Silício monocristalino

Silício policristalino

Silício amorfo

Funcionamento

Vantagens

CÉLULAS SOLARES SENSIBILIZADAS POR CORANTES

• 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


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)

http://www.tstcc.ch/en/index.php

http://www.tstcc.ch/en/index.php

Vidros condutores

Contra-eletrodo

Catalisador



Filme nanocristalino mesoporoso de TiO2


Corantes sensibilizadores


Mediador (I3-/I- em nitrilas)

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!


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!


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.



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



Ru(II)

N

N

SCN

N

NCS

N

O OH

O

OH

N N

N N

N N


Medidas de desempenho

Espectro de ação de fotocorrente (IPCE) Curvas de corrente versus potencial (IV)

IPCEs

cis-[Ru(phen)(dcbH2)(NCS)2]

cis-[Ru(Ph2-phen)(dcbH2)(NCS)2]

cis-[Ru(Me2-phen)(dcbH2)(NCS)2]

IV

cis-[Ru(phen)(dcbH2)(NCS)2]

cis-[Ru(Ph2-phen)(dcbH2)(NCS)2]

cis-[Ru(Me2-phen)(dcbH2)(NCS)2]

Conversão 3 – Luz solar em energia química

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

e-

Fotossíntese Artificial

CALTECH

Investimento aproximado USD 50 milhões

MIT / Harvard

UNC

http://www.efrc.unc.edu/index.html

Uppsala Universitet

Slides disponíveis

http://sqbf.ufabc.edu.br/disciplinas/

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