A SELEÇÃO DE ORIENTADORES E PROJETOS DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA PIBIC

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EDITAL Nº 004/2019/PROPE

SELEÇÃO DE ORIENTADORES E PROJETOS DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA PIBIC/Fapemig/UFSJ e PIIC

Título do Projeto de Pesquisa

Preparação de corantes e estudo de seus respectivos band gap, HOMO e LUMO para uso em células solares de terceira geração

Proponente

Profa. Dra. Elidia Maria Guerra

Instituição/Campus

Universidade Federal de São João Del Rei – UFSJ

Campus Alto Paraopeba

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1.Introdução

A maioria da luz solar irradiada na Terra pouco é aproveitada para geração de energia. Parte dessa radiação solar fornece calor, outra parte forma os ventos e potenciais hidráulicos e outra, as correntes marinhas. Uma parte também é incorporada nos vegetais através da fotossíntese e serve para sustentar toda a cadeia alimentar do planeta. Durante muitos anos, a energia solar não era aproveitada pela indústria, e a maneira de se obter energia era através da matéria orgânica que se acumulou no subsolo terrestre, formando as camadas fosseis, denominadas combustíveis fosseis, como o petróleo, carvão mineral, gás natural, xisto betuminoso e outros. [1]

O processo de fossilização vem ocorrendo por milhares e milhares de anos. Assim como esses elementos fosseis, há outros que sempre estiveram na crosta terrestre e que também são capazes de gerar energia através da fissão de seus núcleos - que é a quebra do núcleo de um átomo instável em dois núcleos menores pelo bombardeamento de partículas como nêutrons. E um exemplo disso é o urânio, que é o elemento principal das fontes primárias de energia nuclear. Como as fontes de energia fóssil e nuclear demandam de um tempo geológico muito grande para serem produzidas novamente, elas são consideradas não-renováveis, ou seja, se esgotam. [1]

Já as fontes renováveis de energia trazem benefícios para a natureza como, por exemplo, os potenciais hidráulicos (quedas d’água), eólicos (ventos), a energia das marés e das ondas, a radiação solar e o calor do fundo da Terra (geotermal). Há também outras formas de se obter uma energia renovável, como por exemplo a biomassa, que engloba diversas subcategorias, desde as mais tradicionais (como a lenha e os resíduos animais e vegetais) até as mais modernas (como o etanol para automóveis, biodiesel, bagaço de cana para co-geração energética e gás de aterros sanitários utilizados para a geração de eletricidade). [1]

Mas com a crescente preocupação com a preservação do meio ambiente, a chamada sustentabilidade, que compreende atender às necessidades do presente sem comprometer às necessidade das gerações futuras, cada vez mais tem se aprofundado na busca por novas maneiras de obtenção de energia elétrica, associando o aumento na demanda por energia e desenvolvimento da indústria ao método de se usar as energias renováveis. As fontes renováveis, embora inicialmente mais caras, tornam-se mais competitivas na medida em que se expandem, pois os custos de sua utilização estão cada vez menores devido aos avanços tecnológicos.

Segundo a ANEEL (2016), a energia solar pode ser aproveitada diretamente para iluminação, aquecimento de fluidos e ambientes ou ainda para geração de energia elétrica. Pode ser também convertida diretamente em energia elétrica por meio de efeitos sobre materiais, como o termoelétrico e fotovoltaico [2].

As células solares fotovoltaicas, que estão sendo muito estudadas atualmente, podem ser divididas em três gerações. A primeira geração compreende as células baseadas no silício monocristalino (um único cristal) e policristalino (vários cristais). Sua vantagem é a possibilidade de utilizar um material não toxico, estável, bem conhecido e bastante abundante na natureza. Em 2015, cerca de 93% do mercado fotovoltaico pertencia ao silício cristalino (24% ao silício monocristalino e 69% ao silício policristalino) [3].

As células de segunda geração compreendem as células de filmes finos e junções múltiplas. Dentre as células de filmes finos, destacam-se as células de CdTe (telureto de cádmio) e uma mistura de Cobre-Índio-Gálio-Selênio, denominada CIGS (CuInGaSe2). Hoje, pesquisas mostram que as células solares de junções múltiplas conseguem atingir uma eficiência de até 46,0%. Porém, devido ao alto custo de sua produção, o seu mercado é focado apenas em aplicações espaciais. [3]

Tentando associar o baixo custo das células de primeira geração e a eficiência das células de segunda geração, muito se tem estudado sobre as células de terceira geração, cujo objetivo é apresentar maiores eficiências que aquelas compostas por uma única junção, aplicar maneiras de deposição em filmes finos e usar materiais abundantes e não tóxicos. Dentre elas, destacam-se as células orgânicas, as células solares baseadas em pontos quânticos, as células solares baseadas em perovskita e as células sensibilizadas por corante (DSSC). [4]

1.2 Funcionamento de uma célula solar

Um dos componentes da célula solar é um material semicondutor, que é um material que permite a passagem da corrente elétrica. Silício e germânio são os elementos químicos principais da semicondução e são muitos utilizados na fabricação dos componentes ou dispositivos eletrônicos que usamos no nosso cotidiano. [5]

O cristal de silício puro não possui elétrons livres e nessa situação está inadequado para conduzir energia. Para alterar isto é acrescentado pequenas porções de alguns outros elementos químicos, no qual esse processo é denominado dopagem. [5]

A dopagem do silício com o fósforo obtém-se um material com elétrons livres ou materiais com portadores de carga negativa (silício tipo N). A dopagem com boro obtém-se um material com características inversas, com cargas positivas livres (silício tipo P). Cada célula solar compõe-se de camada fina de material tipo N e outra com maior espessura de material tipo P. Ao se conectarem, forma um campo elétrico devido aos elétrons livres do silício tipo N que ocupam os vazios da estrutura do silício tipo P. Ao irradiar luz sobre a célula fotovoltaica, os fótons chocam-se com outros elétrons da estrutura do silício fornecendo-lhes energia e transformando-os em condutores. Com o campo elétrico gerado pela junção P-N, os elétrons são excitados e começam a fluir da camada “P” para a camada “N”. [5]