Fazer Uma Célula Fotovoltaica

Physics on Stage

Fazer uma célula fotovoltaica Manuel Azevedo e António Cunha Departamento de Física Universidade de Aveiro

Nos últimos anos, tem-se assistido a um crescente interesse da sociedade por questões ligados à protecção do ambiente, da poupança dos recursos energéticos e da procura de novos recursos alternativos, não poluentes, como por exemplo a utilização da energia solar. Todos conhecemos as células solares (painéis) fotovoltaicas que se encontram nas auto-estradas, nos telhados de casas (infelizmente muito pouco em Portugal), nos satélites de telecomunicações e noutros lugares onde não existe rede eléctrica. Na sua maioria estas células solares baseiam-se no semicondutor de silício (Si) que é muito utilizado na microelectrónica. O facto da tecnologia das células fotovoltaicas não ter uma grande utilização na produção directa de electricidade, deve-se aos, ainda relativamente elevados, custos de produção. Daí que existam um elevado número de grupos de investigação no mundo e em Portugal a investigar novos materiais que não o Si e novos métodos de preparação. Um dos mais recentes resultados de investigação mostrou que é possível usar materiais orgânicos na produção de energia, envolvendo um processo semelhante ao que acontece na natureza com a fotosintese. Em 1991, um grupo de investigação na Suiça, do Instituto Federal de Tecnologia, sob a orientação do Professor Michael Grätzel, desenvolveu uma célula fotovoltaica baseada num corante sintético que transforma uma grande parte da energia solar em energia eléctrica. Ao contrário da fotosintese, onde a energia solar é utilizada nas plantas para a produção de açúcar, na célula de Grätzel a energia solar é directamente utilizada para a produção de energia eléctrica. Nos secções seguintes descreveremos o funcionamento da célula solar utilizando conhecimentos de Físico-Química do 3ºciclo do Ensino Básico e do Secundário fornecendo a receita para a preparação de uma célula solar fotovoltaica na sala de aula.

Princípio de funcionamento da célula fotovoltaica de Grätzel

O que acontece na fotosíntese? A fotosintese é nada mais do que a transformação de energia solar em energia química. A energia solar é utilizada para fomentar a transformação de dióxido de carbono (CO2) e a água (H2O) em oxigénio (O2) e glucose (açúcar). Na célula fotovoltaica, pretende-se a transformação da energia solar directamente em energia eléctrica. A célula fotovoltaica de Grätzel é constituída principalmente por moléculas de um corante (“dye”), um semicondutor nanocristalino (TiO2, dióxido de titânio), um electrólito (solução de Iodo), dois eléctrodos de vidro com uma camada condutora e transparente (SnO2) e um catalisador (grafite ou platina). Na figura seguinte apresenta-se o esquema da célula que vamos preparar:

Figura 1: Estrutura da célula fotovoltaica.

O corante (dye) recebe do electrólito um electrão, (reacção III, abaixo). As moléculas do electrólito (solução de iodo) são reduzidas no eléctrodo positivo (recebem um electrão através do eléctrodo). Para facilitar a redução das moléculas na superfície do eléctrodo é depositado uma camada fina de grafite. Para haver um fluxo da corrente eléctrica é necessário ligar os dois eléctrodos a uma resistência de carga.

Reacções químicas: (I) dye + luz (energia solar) → dye* (II) dye* + TiO2 → e-(TiO2) + dye oxidado (III) dye oxidado + − I 2 3 → dye (neutro) + − 32 3 I (IV) − 32 3 I + e-(eléctrodo) → I 2 3

Camada conductora

TiO2 Corante (chã, vinho tinto) S*

Sº/S+

Electrólito Eléctrodo

hv

Red Ox

e-

e-

e-

eVout

R

E(eV)

1.0

0

-0.5

0.5

(-)

Camada conductora Camada conductora Camada conductora

TiO2 TiO2 Corante (chã, vinho tinto) S*

Sº/S+

Corante (chã, vinho tinto) S*

Sº/S+

Electrólito Electrólito Eléctrodo Eléctrodo

hv hv

Red Ox Red Ox

e- e-

e- e-

e- e-

eVout eVout

R R

E(eV)

1.0

0

-0.5

0.5

E(eV)

1.0

0

-0.5

0.5

E(eV) E(eV)

1.0

0

-0.5

0.5

((--) )

(+) ((++) )

Figura 2: Esquema de energias da célula fotovoltaica

Escola Cooperativa Vale (S.Cosme) e Departamento de Física da Universidade de Aveiro

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Preparação da célula fotovoltaica

A preparação da célula fotovoltaica é passa-se em 4 passos: 1. Preparação do eléctrodo negativo (-) 2. Preparação do eléctrodo positivo (+) 3. Colocação da solução colorida no eléctrodo negativo (-) 4. Montagem da célula fotovoltaica

A descrição da preparação da célula tem como pressuposto que a pasta/solução de TiO2 e a solução do corante (chá) já se encontra prontas a utilizar.

Passo nº 1: Preparação do eléctrodo negativo (-) a) Limpar as lamelas de vidro sem a camada de TiO2 (transparente) com água e uma escova e depois secar com um pano ou um secador. b) Todas as lamelas tem um