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Células solares sensibilizadas por corante


A energia solar se mostra promissora quando se trata de energia renovável, por ser proveniente de uma fonte inesgotável e não poluir o meio ambiente. As células solares mais utilizadas para produção de energia, são as células fotovoltaicas de silício, onde este atua como semicondutor com dopagem do tipo P-N. Entretanto, devido ao alto custo de fabricação dessas células surgem como alternativa as células solares sensibilizadas por corante (CSSC).

As CSSC são formadas basicamente por ânodo e um cátodo e ambos estão interligados por um eletrólito formado pelo par redox geralmente de iodeto e triiodeto. O ânodo é formado por uma placa de vidro recoberta por um substrato condutor transparente de dióxido de estanho (SnO2) ou outro material similar e nessa placa é depositado um material semicondutor geralmente dióxido de titânio nanocristalino, que é sensibilizado por corantes de complexos de rutênio. O cátodo é formado também por uma placa de vidro recoberta por um substrato condutor transparente e é adicionada uma fina camada de platina que servirá como eletrodo para facilitar a coleta de elétrons.

Quando a luz do sol incide sobre o ânodo dessa célula os elétrons do corante são excitados, em seguida esses são injetados na banda de condução do óxido de titânio e levados pela corrente externa até o cátodo, tendo assim a formação de uma corrente elétrica. O eletrólito é responsável por manter o equilíbrio na célula, pois, ao mesmo tempo que o corante perde seus elétrons no ânodo, ocorre o acúmulo dos mesmos no cátodo. Desse modo, quando os elétrons do corante são excitados e transferidos pela corrente o iodeto regenera o corante oxidado se convertendo em tri-iodeto:

Regeneração do corante: C+ + 3/2 I- -> C + 1/2 I3- (1)

Simultaneamente os elétrons que foram transportados pelo circuito ao chegarem no cátodo são utilizados na conversão de triiodeto a iodeto.

Regeneração do iodeto: 1/2 I3- e- -> 3/2 I- (2)

Diagrama esquemático das CSSC. Fonte: Alias et. al (2016)

Diagrama esquemático das CSSC.
Fonte: Alias et. al (2016)

Nas células sensibilizadas por corantes existem processos de recombinação que influenciam em valores menores de eficiência. O principal processo é entre os elétrons da banda de condução do dióxido de titânio e o íon triiodeto representado pela equação 3:

1/2 I3- e- (BC do TiO2) -> 3/2 I- (3)

Outro tipo de recombinação é entre os elétrons da banda de condução do dióxido de titânio e o corante representado pela equação 4:

C+ + e- (BC do TiO2) -> C (4)

Esse último processo pode ser considerado quase desprezível, pois a velocidade de reação com que o iodeto regenera o corante é muito maior.

As CSSC podem ser utilizadas principalmente para levar eletricidade as residências e para iluminação pública além de ter outras aplicações como na produção de hidrogênio de verde, podendo então substituir as células fotovoltaicas tradicionais por um menor custo. O seu baixo custo também é possibilitado através da utilização de corantes naturais que podem ser facilmente obtidos a partir de pigmentos de frutas, semestres, folhas, etc. Desse modo, do ponto de vista econômico e levando em conta recentes avanços nas pesquisas para melhoria da eficiência dessas células, as CSSC se mostram como o modelo mais atrativo e promissor.

 

 

 

Bibliografia: 

SONAI, Gabriela G. et al. Células solares sensibilizadas por corantes naturais: um experimento introdutório sobre energia renovável para alunos de graduação. Química Nova, v. 38, p. 1357-1365, 2015.

GONG, Jiawei et al. Review on dye-sensitized solar cells (DSSCs): Advanced techniques and research trends. Renewable and Sustainable Energy Reviews, v. 68, p. 234-246, 2017.

ALIAS, Nurain Najihah; YAACOB, Khatijah Aisha. Natural dye sensitizer in dye sensitized solar cell. Sains Malaysiana, v. 45, n. 8, p. 1227-1234, 2016.

AGNALDO, J. S. et al. Células solares de TiO2 sensibilizado por corante. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 28, p. 77-84, 2006.