celulafotovoltaica1

e-xacta, Belo Horizonte, v. 6, n. 2, p. 79-92. (2013). Editora UniBH. Disponvel em: www.unibh.br/revistas/exacta/D

ISSN: 1984-3151

OTIMIZAO DE CLULAS FOTOVOLTAICAS ORGNICAS OPTIMIZATION OF ORGANIC PHOTOVOLTAIC CELLS

Allan Douglas Martins; Ana Carolina Silva1; Camila C. S. Braga1; Carolina Cardoso Franco1; Dyeice Amlia Sales1; Guilherme Cunha Rezende1; Pollyanna Rodrigues

Duarte1; Otvio Gomes2; Sinthya Gonalves Tavares3

Recebido em: 28/02/2013 - Aprovado em: 20/22/2011 - Disponibilizado em: 30/11/2013

RESUMO: Com a previsvel escassez dos recursos energticos, as preocupaes com as questes ambientais se tornam cada vez mais evidentes. Com isso, houve um incremento na busca de recursos alternativos para a produo de energia eltrica, principalmente aqueles baseados em fontes limpas e renovveis, como a energia solar. Para a converso de energia solar em energia eltrica so utilizadas, na maioria das vezes, clulas solares fotovoltaicas, que se baseiam na propriedade semicondutora de silcio. Como o custo dessa tecnologia ainda muito alto, so propostos novos materiais para a substituio desse cristal, com destaque para a clula solar nanocristalina de dixido de titnio (TiO2), acrescida de molculas orgnicas de corantes. Essa clula apresenta vantagens em relao s clulas convencionais de silcio, pois, na sua fabricao, so utilizados materiais disponveis no mercado e corantes extrados de plantas, modelo proposto por Gratzl, alm de ser preparada atravs de processos simples e no poluentes. O objetivo deste trabalho recriar as clulas solares nanocristalinas de dixido de titnio, otimizando-a para a utilizao de materiais com baixo custo, de modo que se obtenha a maior eficincia energtica possvel. PALAVRAS-CHAVE: Energia Solar. Fotovoltaica. Nanocristalina. ABSTRACT: With the expected shortage of energy resources, the concerns about environmental issues are becoming increasingly evident. Thus, there was an increase in search for alternative resources for energy production power, especially those based on clean sources and renewable energies such as solar energy. Converting solar energy into electrical energy, in most cases, solar cells photovoltaics, which based on property semiconductor silicon are used. As the cost of this technology is still very high, new materials are proposed for substitution this crystal, with emphasis on the cell nanocrystalline titanium dioxide (TiO2) solar plus molecules organic dyes. This cell has advantages compared to conventional silicon cells, because in his manufacturing, available materials are used in the market and extracted dyes from plants, the model proposed its by Grtzel, besides being prepared through Simple and clean process. The goal of this essay is to recreate the nanocrystalline solar cells titanium dioxide, optimizing it to the use of materials with low cost, so as to obtain the energy efficient as possible.

1 Graduandos em Engenharia Qumica. Centro Universitrio de Belo Horizonte - UniBH. Belo Horizonte MG. [email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected].

2 Doutor em Engenharia Eltrica, UFMG, Belo Horizonte, Brasil, 2012. Professor do Centro Universitrio de Belo Horizonte UniBH. Belo Horizonte, MG. [email protected].

3 Doutora em Engenharia Mecnica. UFMG, Belo Horizonte, Brasil - Universit Politecnica delle Marche Ancona IT. 2006. Grupo de Pesquisa em Desenvolvimento de Novos Materiais Estruturados e Professora do Centro Universitrio de Belo Horizonte - UniBH. Belo Horizonte, MG. [email protected].

80


KEYWORDS: Solar Energy. Photovoltaic. Nanocrystalline.

1 INTRODUO O crescimento exponencial do consumo energtico

implicou a necessidade de manuteno das reservas

esgotveis de energia, alm do desenvolvimento

tecnolgico no setor de aproveitamento de fontes de

energias alternativas (AZEVEDO; CUNHA, 2002).

Segundo Ghensev (2006), a converso de energia

solar em energia eltrica um campo da engenharia

muito promissor, uma vez que o sol capaz de lanar

sobre a Terra 1.367 W/m2, valor equivalente a 4000

vezes mais energia do que se consome. Frente a essa

realidade, extremamente vivel a explorao de

novas tecnologias para desenvolver a converso de

energia solar em energia eltrica, principalmente em

pases prximos Linha do Equador e em locais como

o Estado de Minas Gerais, que esto localizados

sobre a AMAS Anomalia Magntica do Atlntico Sul.

Segundo Sobral e Paskocimas (2007), essa a regio

onde os raios solares tm um menor desvio, sendo

mais aproveitveis para a gerao de energia eltrica.

Atualmente, para essa transformao utilizam-se

clulas fotovoltaicas feitas, principalmente, de silcio

com um alto grau de pureza. Todavia, a purificao da

matria-prima para a fabricao de tais clulas requer

uma sofisticada tecnologia, alm de grande

quantidade de energia. Esses so fatores que

contribuem para o aumento do valor agregado ao

produto final, o que influencia o seu alto valor no

mercado. Ao realizar uma rpida anlise sobre o

processo de fabricao dessa clula, torna-se

evidente a necessidade da reduo do custo de

produo (FREITAS, 2006).

Estudos como o de Gratzl, em Sobral e Paskocimas

(2007), indicam como uma possibilidade vivel para a

resoluo desse impasse a criao de uma clula

solar nanocristalina de dixido de titnio (TiO2),

sensibilizada por molculas orgnicas de corantes

(FIGURA 1). Com esta nova tecnologia espera-se

superar os problemas experimentais, alm de se

reduzir custos da tecnologia de clulas solares

convencionais.

Segundo Carvalho as clulas solares sensibilizadas

por corantes (CSSC) apresentam o mesmo papel das

funes fornecidas pelo silcio numa clula tradicional.

Assim como o silcio, As CSSCs funcionam tanto

como fonte de fotoeltrons bem como fornecedor do

campo eltrico para separar as cargas e criar uma

corrente. Entretanto nas CSSCs, o semicondutor

apenas um transportador de cargas e os fotoeltrons

fornecidos pelo corante fotossensvel. A separao de

carga ocorre ento na superfcie entre o corante, o

semicondutor e o eletrlito. Atualmente as mais bem

sucedidas CSSCs so as conhecidas clulas de

Graetzel, que utilizam corantes baseados em

polipiridil-rutenatos, adsorvidos em filmes

nanocristalinos de dixido de titnio (TiO2).

Figura 1 - Esquema de uma clula solar nanocristalina

de dixido de titnio.

O objetivo deste trabalho recriar as clulas solares

nanocristalinas de dixido de titnio, propostas por

Gratzl, otimizando-a para a utilizao de materiais

81


com baixo custo, de modo que se obtenha a maior

eficincia energtica possvel.

2 REVISO BIBLIOGRFICA

2.1 HISTRICO

O efeito fotovoltaico foi observado pela primeira vez

em 1839, pelo fsico francs Edmond Becquerel, ao

descobrir que certos materiais geram corrente eltrica

ao serem expostos luz (BECQUEREL, 1839).

Em 1877, Adams e Day construram a primeira clula

solar baseada em dois eletrodos de selnio que

produziam uma corrente eltrica quando expostos

radiao. Porm, os resultados indicavam que a

eficincia destes sistemas criados era to reduzida

que o desenvolvimento de clulas solares teve que

esperar por uma compreenso mais completa dos

semicondutores (FREITAS, 2006). J no ano de 1947

os fsicos Shockley, Bardeen e Brattain descobriram

os transistores, substituindo assim os semicondutores

(SHOCKLEY, 1949).

Em 1954 Chapin, Furller e Pearson desenvolveram,

com eficincia de 6%, o dispositivo que permite a

transformao da luz solar em eletricidade em um

sistema fotovoltaico que tem como unidade bsica a

clula solar feita de silcio (FREITAS, 2006).

Outro agente impulsionador das pesquisas dessa

tecnologia para aplicaes diversas, inclusive para

complementao do sistema eltrico existente, foi a

crise do petrleo em 1973. Nesse ano, a energia solar

atraiu a ateno de governos internacionais, com a

possibilidade real do esgotamento das reservas

petrolferas, como esclarece Nascimento (2004).

Todavia, o custo de produo das clulas era um fator

preocupante em relao quantidade de energia

produzida por ela. Era preciso reduzir o custo

significativamente para tornar vivel sua utilizao.

Com o passar dos anos, novos reservatrios de

petrleo foram revelados por todo o mundo, dilatando

assim o perodo de abundncia at muitas dezenas de

anos. Por outro lado, o mesmo autor ainda afirma que,

a tecnologia solar no apresentava custos e eficincia

comparveis com as energias fsseis. Como

alternativa, os governos internacionais comearam a

financiar a construo de centrais nucleares, o que

tornou o assunto sobre energia solar mais discreto

durante a dcada 80.

Na ltima dcada, conforme conta em (BRITO;

SERRA, 2004), a necessidade de utilizao da

energia solar para a obteno de eletricidade se

intensificou devido ao impacto ambiental causado pela

utilizao desenfreada do petrleo e, tambm, pelas

mudanas climticas associadas emisso de gases

inerentes sua queima.

Uma das alternativas para a converso da energia

solar em energia eltrica foi desenvolvida pelo grupo

de pesquisa do Prof. Michael Gratzl, em 1991, da

Escola Politcnica Federal em Lauzane (Sua), que

deu incio ao desenvolvimento de clulas fotovoltaicas

sensibilizadas a corantes (CFSC) (SANTOS, 2005).

2.2 COMPONENTES DA CLULA SOLAR DE

GRATZL

2.2.1 DIXIDO DE TITNIO

O processo pelo qual uma impureza introduzida em

uma rede cristalina com a finalidade de melhorar as

propriedades fotovoltaicas de semicondutor

chamado de sensibilizao. Muitos semicondutores,

como dixido de titnio (TiO2), sulfeto de cdmio

(CdS), xido de zinco (ZnO), trixido de tungstnio

(WO3), sulfeto de zinco (ZnS), xido de ferro (III)

(Fe2O3), podem agir como sensibilizadores em

processos de oxidao e reduo mediados pela luz

(devido sua estrutura eletrnica). Entre os

semicondutores, o TiO2, face s suas propriedades de

82


tenacidade, leveza, resistncia corroso, opacidade,

inrcia qumica, toxicidade nula, elevado ponto de

fuso, brancura, alto ndice de refrao, alta

capacidade de disperso, fotoestabilidade e

estabilidade qumica em uma ampla faixa de pH, se

tornou o mais amplamente estudado para os

processos de sensibilizao (FIGURA 2) (NOGUEIRA;

JARDIM, 1998).

Uma aplicao desse material como foto anodo em

clulas solares nanocristalinas sensibilizadas por

corante. As partculas de dixido de titnio

desempenham um papel crucial nas clulas solares

desse tipo, garantindo o uso efetivo do fluxo de

eltrons resultante da absoro da luz do Sol pelo

corante (RUSSEL, 1994).

Figura 2: Colocao da pasta de TiO2 na lamela de

vidro da clula de Gratzl.

Fonte - AZEVEDO; CUNHA, 2002, p.2.

O semicondutor TiO2 tambm apresenta vantagens

em relao ao transporte de carga, em virtude da sua

alta constante dieltrica ( = 80 para anatase). Ele

fornece uma boa proteo eletrosttica ao eltron

injetado em relao ao corante adsorvido na superfcie

do xido, impedindo sua recombinao antes da sua

reduo pelo mediador e, assim, o eltron injetado se

difunde rapidamente atravs do filme. Em sntese, a

funo do TiO2, alm de fornecer suporte para o

corante, permitindo um maior aproveitamento da luz

incidente, de coletor e condutor de carga

(NOGUEIRA, 2011).

2.2.2 CORANTE

A caracterstica que define uma molcula corante a

sua solubilidade no meio em que exposta. Um

corante verdadeiro solvel no meio, sendo mantido

disperso em uma soluo homognea com pouca

tendncia de aglomerao. As partculas de corantes

podem ser menores que 50 nm. Dentro dessa

categoria tem-se uma grande variedade de molculas

corantes para as diversas aplicaes (FREITAS,

2006).

Uma dessas aplicaes em dispositiva

optoeletrnica de baixo custo. Dentre esses

dispositivos destacam-se as clulas solares orgnicas

(FIGURA 3). A eficincia desses dispositivos ainda

limitada, principalmente devido baixa absoro de

luz pela camada ativa e baixa mobilidade dos

portadores de cargas. Parte desse problema pode ser

reduzida atravs da insero de um terceiro

componente na clula, como corantes orgnicos que

apresentem elevada absoro de luz na faixa

espectral acima de 400 nm. (FREITAS, 2006)

Figura 3: Colocao do corante na clula de Gratzl.


O princpio de operao se baseia na excitao do

corante pela incidncia de ftons de luz. Uma vez

excitado, fica energeticamente apto a transferir

eltrons para a superfcie condutora formada pelo TiO2

e, em seguida, para a parte superior da clula, onde

ser coletado o fluxo de eltrons na forma de corrente

eltrica. Os corantes foto-excitveis so os

83


componentes essenciais das CFSC, atravs dos quais

se baseiam os princpios destas clulas fotovoltaicas,

determinam a sua absoro caracterstica e a

resposta espectral (NOGUEIRA, 1998).

O corante representa o elemento chave da clula e

deve ser capaz de: absorver luz numa ampla faixa

espectral; injetar eltrons na banda de conduo do

semicondutor a partir do seu estado excitado; mostrar

excelente estabilidade que permita a realizao de

vrios ciclos de oxi-reduo, gerando o maior tempo

de vida operacional possvel.

No corante da amora, nota-se a existncia de

antocianinas, um pigmento natural encontrado na

fruta. As antocianinas apresentam faixas intensas de

absoro na regio visvel do espectro, atribudas aos

grupos hidroxila, capazes de se adsorverem

quimicamente superfcie do filme semicondutor

(PATROCNIO; MURAKAMI, 2010).

2.2.3 ELETRLITO

Segundo Lobo (1996) eletrlito uma substncia que,

quando dissolvida em um dado solvente, produz uma

soluo com uma condutividade eltrica maior que a

condutividade do solvente.

O eletrlito tem ampla aplicao nos processos de

eletrodo e, a princpio, deve apresentar como

propriedades alta solubilidade, alto grau de ionizao,

estabilidade qumica e eletroqumica. Com relao s

suas aplicaes, verifica-se que so bastante amplas:

mantm os coeficientes de atividade praticamente

constantes, e o nmero de transporte da espcie

eletroativa praticamente igual a zero; diminui a

espessura da dupla camada eltrica; mantm a

viscosidade, o coeficiente de difuso e o nmero

mdio de ligantes constantes, alm de incrementar a

condutividade em meios de solventes polares, tanto

orgnicos quanto inorgnicos (FREITAS, 2006).

O eletrlito escolhido para a execuo da clula solar

composto por um par de redox iodo/iodeto (I2/ I)

(FIGURA 4), dissolvido em gua destilada.

Figura 4: Colocao do eletrlito na clula de Gratzl.


Neste solvente o iodo prefere existir como on tri-

iodeto, formando uma soluo de tri-iodeto/iodeto (I3/

I). Os ons de iodeto reagem com o corante oxidado

no filme de TiO2, sendo oxidados a tri-iodeto, que por

sua vez reduzido ao estado original no contra-

eletrodo (FREITAS, 2006).

2.2.4 DIXIDO DE ESTANHO

Na clula solar de Gratzl (FIGURA 5), um dos

eletrodos estudados para a conduo da corrente

eltrica e que tem demonstrado um bom potencial

para esse tipo de anodo o de dixido de estanho

(IV), SnO2. Ele apresenta alta condutividade,

razoavelmente estvel em meios de diferentes pHs,

possui alta transparncia na regio do visvel, alta

estabilidade trmica, mecnica e qumica (PIMENTEL;

ABRILLA, 1998).

Porm, por se tratar de um material caro e de difcil

obteno, pode-se substitu-lo por pequenas fileiras de

fios de cobre, colados na placa solar. O cobre um

dos metais mais usados na fabricao dos fios

condutores eltricos, devido, principalmente, s suas

propriedades eltricas e mecnicas. Tal procedimento

84


foi utilizado neste estudo em alternativa para a

nanopelcula condutora existente nos vidros especiais

de clulas fotovoltaicas (FIGURA 6).

Figura 5: Montagem final da clula de Gratzl.


Figura 6: Placa de vidro com fios de cobre.

2.3 TRANSFORMAO DE ENERGIA SOLAR EM ENERGIA ELTRICA

A clula fotovoltaica, proposta por Gratzl,

constituda principalmente por molculas de um

corante, um semicondutor nano cristalino (TiO2), um

eletrlito (soluo de Iodo), dois eletrodos de vidro

com uma camada condutora e transparente (SnO2 -

dixido de estanho) ou material similar, e um

catalisador (grafite ou platina) (FREITAS, 2006).

O eletrodo negativo com TiO2 sensibilizado com a

molcula orgnica do corante (organic dye), que, ao

receber a luz, excita seus eltrons e passa a injet-los

na banda de conduo do TiO2, deixando com isso,

em suas molculas, buracos oxidados. Os eltrons

que vo para a banda de conduo do TiO2 podem

percorrer um caminho dentro desse semicondutor e

chegar ao substrato, quando, ento, saem da clula

solar nanocristalina sensibilizada (FREITAS, 2006).

O mesmo autor ainda orienta que para facilitar a

reduo das molculas na superfcie do eltrodo,

depositada uma fina camada de grafite. Ao percorrer o

circuito externo, os eltrons chegam ao eletrodo

positivo com menor energia, onde completam o ciclo.

Para que haja o fluxo da corrente eltrica necessrio

ligar os dois eletrodos a uma resistncia de carga.

Dentro do eletrlito, o processo de oxi-reduco pode

ser representado pelas reaes entre o corante e as

diversas partes da clula fotovoltaica, conforme

Equao 1:

I5,1)eletrodo(eI5,0

I5,0)dye(I5,1)dye(

)dye()TiO(eTiO)dye(

)dye(hVdye

_3

3*

*2

_2

*

(1)

3 MATERIAIS E MTODOS

Para a montagem da clula solar fotovoltaica,

realizada no Laboratrio de Qumica do Centro

Universitrio de Belo Horizonte, foi necessria a

utilizao de lminas de vidro, fio de cobre, solda

(estanho), dixido de titnio, vinagre branco,

detergente, vela, lcool 70%, gua destilada, I2 (iodo),

KI (iodeto de potssio), epxi, ferro de solda, cortador

de vidro e durex (FIGURA 7).

85


Figura 7: Materiais utilizados para a fabricao da

clula fotovoltaica orgnica otimizada.

Para a preparao da soluo de dixido de titnio,

pesou-se 15 g de TiO2, mediu-se 10 mL de vinagre

branco e, em um bquer, juntou-se o TiO2, o vinagre

branco e 3 (trs) gotas de detergente para aumentar a

viscosidade da mistura.

Para a soluo do corante de amora, foram colocadas,

em um bquer, cerca de 50g de amoras, as quais

foram devidamente esmagadas.

J na elaborao das lminas (que foram lavadas com

gua destilada, lcool 70% e em seguida secas),

foram realizadas linhas verticais, com o cortador de

vidro e uma lixa, formando fissuras no vidro para que

os fios de cobre fossem soldados nas extremidades

de cada linha, substituindo assim o anodo de dixido

de estanho.

Em uma dessas lminas foi preparado o eletrodo

negativo. Em trs extremidades da superfcie da

lmina foi colocado durex. Em seguida, colocada na

superfcie descoberta da lmina a soluo de TiO2.

Com um basto de vidro, distribuiu-se a pasta na

superfcie de modo a se obter um fino filme

homogneo. Aps completa evaporao da umidade,

foi retirado o durex e colocado o filme formado para

cozer. A temperatura utilizada foi de 450C 550C,

por 10 minutos.

Em outra lmina, foi preparado o eletrodo positivo.

Para isso, sua superfcie foi queimada com vela,

deixando o vidro escurecido. O eletrodo negativo j

resfriado foi mergulhado no corante de amora,

permanecendo por 5 minutos. Ao retir-lo, com

cuidado, as bordas foram limpas e aguardou-se a

secagem completa do eletrodo.

A montagem final da Clula pode ser visualizada a

seguir nas figuras 8 e 9.

Figura 8: Clula fotovoltaica orgnica.

Figura 9: Clula fotovoltaica orgnica ligada em

paralelo.

Para a montagem da Clula, os dois eletrodos foram

colocados juntos, de forma que a camada de TiO2

ativada com o corante ficasse em contato com a

superfcie da outra lmina queimada pela vela.

4 RESULTADOS E DISCUSSO

Partindo da clula montada, foram definidas as etapas

de experimentao para a anlise do rendimento da

energia gerada por esta.

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Essas etapas foram divididas em: anlise de qual a

fonte geradora de energia a ser utilizada; se as clulas

seriam conectadas durante o experimento; se haveria

o isolamento do sistema formado entre a fonte de

energia e as clulas do meio externo; medio da

tenso gerada por intervalo de tempo.

Para a fonte, optou-se pelo uso de uma lmpada

incandescente com uma potncia de 60 W, devido ao

fato de ser uma fonte de baixa energia e fcil

aquisio. Com a utilizao desta fonte de energia,

fornecida ao sistema uma potncia de 60

Joules/segundo (clula + fonte), sendo determinada

atravs da equao de potncia.

O uso do circuito em paralelo foi determinado por

questes de clculo de diferena de potncia, alm de

apresentar a melhor leitura no equipamento utilizado,

o multmetro. O experimento proposto por Gratzl

evidenciou que a tenso gerada pela clula padro

baixa, portanto seria melhor a escolha de um sistema

em paralelo, uma vez que, como dito anteriormente,

apresenta melhor resoluo no equipamento,

facilitando a medio

Na primeira etapa de testes, iniciaram-se as medies

sem o isolamento do sistema, para verificar o

funcionamento da clula. De incio, no foi visualizada

nenhuma anomalia na clula, indicando que esta

obteve um resultado satisfatrio. Entretanto, ao utilizar

uma fonte luminosa acrescida luminosidade

ambiente, observou-se que a clula registrava uma

diferena de potencial, demonstrando que iluminaes

locais eram capazes de influenciar a tenso gerada e

registrada pelo multmetro. Com essa interferncia, foi

sugerido o isolamento do sistema (clula + fonte) para

medio correta do experimento.

Realizada a medida de tenso das clulas em um

ambiente isolado, verificou-se o comportamento at

ento no identificado em clulas propostas por

Gratzl. A tenso gerada pelas clulas no caiu

imediatamente aps o desligamento da fonte de

energia luminosa. Durante um tempo determinado, as

clulas em paralelo continuavam a gerar uma

diferena de potencial pequena, que, no decorrer do

experimento, diminuiu gradativamente at retornar ao

valor medido no incio do experimento. Essa

caracterstica evidenciou que a clula se comporta

como um capacitor, ou seja, ela capaz de acumular

carga e tambm de emiti-la to logo a fonte luminosa

interrompa a emisso de energia.

Como mencionado por Fragnito (2010), a relao

entre tenso e corrente real, em um circuito de malha

contendo resistores, capacitores e indutores, pode ser

expressa por uma equao integral-diferencial de

primeira ordem, conforme Equao 2:

cq

tiLRi

(2)

onde: ][ = Tenso ]V[ , R = Resistncia ][ , i=

Corrente ][ , L = Indutncia [Henri], i = Derivada da

corrente ][ , t = Variao do tempo [s], q = Carga

eltrica [C], c = Capacitncia [F]

Como a corrente (i) pode ser mensurada atravs do

tempo, possvel definir conforme Equao 3:

c tq

tiL

tiR

t 22

(3)

onde: d = Derivada da tenso [V], R = Resistncia

][ , L = Indutncia [Henri], i = Derivada da corrente

][ , t = Variao do tempo [s], i2 = derivada

segunda da corrente ][ , 2t = Derivada ao tempo ao

quadrado [s], q = Derivada da Carga eltrica [C], c =

Capacitncia [F].

Ainda, considerando que a relao entre a variao de

cargas em um intervalo de tempo pode determinar a

relao destas com a corrente eltrica, na Equao 4:

ci

tiL

tiR

t 22

(4)

87


onde: = Derivada da tenso [V], R = Resistncia

][ , L = Indutncia [Henri], i = Derivada da corrente

][ , t = Derivada do tempo [s], i2 = Derivada

segunda da corrente ][ , 2t = Derivada ao tempo ao

quadrado [s], i = Corrente eltrica ][ , c =

Capacitncia [F].

Segundo Santos (2005), a clula proposta por Gratzl

possui internamente uma resistncia que tende a um

valor nulo, alm de que, por se tratar de um processo

de reao qumica, possvel que se obtenha uma

impedncia nula do sistema ideal, visto que no

gerar uma corrente alternada, e sim corrente

contnua. Como a quantidade de placas utilizada no

experimento no seria suficiente para medir a corrente

em um voltmetro e considerando as alteraes

propostas por Santos (2005), seria possvel projetar

uma equao diferencial para descrever os valores de

tenso tericos e obter a corrente terica gerada pelas

clulas fotovoltaicas. Para tanto, necessrio o

clculo da capacitncia das clulas. Segundo Halliday,

Resnick e Walker (2007), pode-se utilizar como base a

equao de capacitores de placas, descrita na

Equao 5:

dc .0

(5)

onde: c = Capacitncia [F], = Permissividade eltrica

do meio [ ], A = rea da placa [m], d = Distncia

entre as placas [m].

Como o principal material nanocondutor na clula

composto de TiO2, o fator na permissividade eltrica

do meio [0] 100 vezes o valor deste (8,85 10-12

F/m), e a rea de cada clula de 0,06 m x 0,04 m, e

a distncia entre as placas de 0,0004 m. Pode-se,

assim, calcular a capacitncia unitria, que de C =

5,31 x 10-9 F por clula.

Como o sistema de clulas est em paralelo, pode-se

calcular a capacitncia equivalente diretamente, pela

quantidade de clulas utilizadas. O valor da

Capacitncia total de 1,062 x 10-8 F.

Os valores de medio da tenso no sistema

inicialmente encontram-se na tabela (Tabela 1), estes

foram usados para definio de uma equao

(Equaes 6, 7 e 8) que demonstrasse a tenso

gerada pelo sistema, com base nos dados fornecidos

por Fragnito (2010) e Santos (2005).

Tabela 1

Tenso x tempo das clulas fotovoltaicas

Tempo (segundos) Tenso (em mV)

0 -1,5

60 -0,3

Com esses dados, possvel descrever uma equao

para o comportamento da tenso x tempo de uma

clula fotovoltaica:

ci

tiL

tiR

t 22

(6)

Como R =L = 0 ento:

ci

t

(7)

Deduzimos que:

kct.i (8)

Substituindo os valores encontrados do sistema de

clulas fotovoltaicas com tempo inicial igual a 0 e

tempo aps 60 segundos, ter-se- uma corrente

de A. O valor de corrente muito baixo,

prximo a zero, considerando que o sistema no est

ligado a um circuito eltrico. Ainda para que uma

corrente eltrica considervel fosse obtida, seria

necessria a ligao de vrias clulas fotovoltaicas

orgnicas em srie, o que no foi testado no estudo

supracitado.

88


Com os dados obtidos, a equao que descreveria a

tenso, em funo do tempo, gerada na clula

proposta, seria conforme Equao 9:

35 10x5,1t.10x0,2 (9)

Com esta equao, estimaram-se os valores de

tenso que seriam medidos em uma clula

fotovoltaica orgnica, onde possvel a comparao

destes com os valores reais de medio. Na Tabela 2

pode-se realizar o comparativo destes valores.

Entretanto, ao se realizar as medies no conjunto de

clulas, notou-se valores de tenses diferentes dos

esperados e determinados pela equao diferencial.

Estas medies permitem o esboo de uma nova

avaliao sobre a alterao realizada na clula

fotovoltaica proposta por Gratzl, comparando-a com

os dados obtidos pela Equao 9.

Tabela 2

Tenso terica em funo do tempo em clulas

fotovoltaicas

Tempo (segundos)

Tenso Terica da Clula (mV)

Tenso Real da Clula (mV)

0 -1,5 -1,5 60 -0,3 -0,3

120 0,9 1,2 180 2,1 3,4 240 3,3 4,9 300 4,5 6,4 360 5,7 7,8 420 6,9 9,2 480 8,1 10,7 540 9,3 12,0 600 10,5 12,9 660 11,7 13,8 720 12,9 14,6 780 14,1 14,9 840 15,3 15,4 900 16,5 15,5 960 17,7 15,7

Com base na comparao dos valores, esboou-se

um grfico das curvas do valor de tenso terico e do

real (GRFICO 1).

Grfico 1

Curva da tenso contnua gerada pelas clulas

fotovoltaicas em paralelo:

Baseando-se nessa anlise, a alterao no modelo de

Gratzl, com uso de micro terminais de fios de cobre

para a conduo das cargas geradas no circuito,

demonstrou que h um possvel fator de resistividade

em cada clula. Essa resistividade, cuja caracterstica

varia em funo da temperatura, ao receber a

irradiao, tender a perder ainda mais desempenho

na gerao de uma tenso, com valor mximo previsto

para clulas de Gratzl de 27% (SANTOS, 2005).

Ainda sobre a Clula, constatou-se que houve uma

queda de tenso gerada no instante do desligamento

da fonte de energia, conforme Tabela 3 e Grfico 2.

Com este desligamento, houve o fluxo de cargas

indicando propriedades de um capacitor, conforme

proposto na elaborao da equao da clula.

Entretanto, h interferncias para determinao da

equao que descrever o comportamento dessa

capacitncia real.

89


Tabela 3

Perda de tenso nas clulas x tempo

Tempo (segundos) Tenso (mV)

0 15,7 60 8,2

120 5,2 180 3,8 240 2,5 300 1,9 360 1,5 420 1,2 480 1,0 540 0,9 600 0,8 660 0,7 720 0,6 780 0,5 840 0,5 900 0,5 960 0,5

Grfico 2

Queda da tenso x tempo

Segundo Santos (2005), a eficincia de clulas

fotovoltaicas obedece aos princpios da

termodinmica, principalmente pela transformao da

energia de radiao por efeito fotovoltaico. Para

qualquer reao, h a perda de energia livre na

condio de desequilbrio, que ocasiona uma limitada

potncia na liberao de energia. Considerando que

em uma clula fotovoltaica no h uma reao

qumica, e sim uma excitao de reagentes pela

radiao, tem-se o potencial * potencialhv .

Considerando a radiao monocromtica com

comprimento de onda , a energia recebida por mol

Qr definida por nmero de avogadro x hc / . A

entropia dada pela Equao 10:

Hc x Avogadrode NmeroQr (10)

No espectro do visvel, uma lmpada incandescente

de 60 W tem uma intensidade (energia por unidade de

rea a tempo) definida pela constante de Stefan-

Boltzmann = 5,67 x 10-8 W.m-2.K-4 dentro do

espectro do visvel para a clula orgnica entre

850x10-9m, onde, segundo Santos (2005) o

comprimento de onda em que h a maior absoro de

energia para plantas, possvel obter o valor de I = 60

W.m-2.nm-1 emitido pela lmpada incandescente 60 W.

Ainda para esta lmpada, tendo a resistncia do

filamento, possvel estimar a temperatura absoluta.

A resistncia do filamento informada pelo fabricante

de 0,15 . Para o clculo da temperatura gerada na

clula tem-se ento a Equao 11.

)I

Hc21ln(

1xKbHcTr

5

2

(11)

onde Tr = Temperatura de qualquer comprimento de

onda [k], H = Constante de Planck [j.s], Kb =

Constante de Boltzmann [J/K], = Comprimento de

onda, = Resistividade da fonte geradora de energia

[m], c = Velocidade da luz no vcuo [m/s2], I =

Intensidade de luminosidade [cd].

Dessa forma possvel obter a temperatura Tr

aproximada de 2599 K. Conforme a eficincia de

Carnot, ter-se- o potencial qumico mximo gerado

pela radiao, que determinado pela Equao 12:

90


Tr)TambienteTr(QrRm (12)

onde: Rm = Potencial qumico mximo da radiao

[J/mol] Tr = Temperatura em qualquer comprimento de

onda no espectro do visvel [k], T ambiente =

Temperatura ambiente [k].

Como Qr = 140725,62 J/mol, pode-se ento deduzir

que Rm = 124.483,04 J/mol, pelo qual possvel

definir, atravs da Equao 13, o valor da entropia do

sistema:

Tr3)T(4S

4 (13)

S = Entropia do sistema [j], = Constante de Stefan-

Boltzmann [W/m.K4], Tr = Temperatura de qualquer

comprimento de onda [k].

Obteve-se a variao de entropia gerada em uma

clula de 1327,51 j/s.k. Esta seria a entropia prevista

para uma clula de Gratzl, caso esta fosse utilizada

no experimento citado. Com as alteraes na clula,

necessrio o clculo dos valores de temperatura. Para

essa medida, ser necessria a medio via

termmetro digital do calor absorvido pela clula para,

assim, mensurar o rendimento da clula.

Segundo Patrcio (2006), possvel realizar um

clculo estimado de uma mquina trmica baseado no

ciclo de Carnot, levando em conta a temperatura que

a clula atingir durante o experimento. Com base na

temperatura calculada para o filamento da fonte e o

valor de temperatura, aps o tempo de 15 minutos na

clula, foi possvel obter o valor de 53C. Usando a

equao abaixo, considerando a emisso de energia

advindo de uma fonte de 60W, e considerado que a

fonte geradora emitiria todos os feixes teis em

direo ao conjunto de clulas, possvel estimar o

clculo global de rendimento da clula fotovoltaica

conforme Equao 14:

4)TfTc(

31

3TF4TC1 (14)

onde: TC = Temperatura da clula [k], TF =

Temperatura da fonte [k].

Fazendo as devidas substituies, possvel estimar

um valor de um rendimento de aproximadamente

16%. Segundo Santos (2005), considerando que o

rendimento proposto em uma clula tipo Gratzl para

luz difusa de aproximados 27%, nota-se que a

alterao gerou um valor de 62% do valor de energia

gerada pela Clula de Gratzl. No possvel

determinar com exatido o rendimento devido a

inmeras transformaes e ajustes em equaes

utilizadas para tais fins. Estes valores so apenas

estimados para um comparativo em vista de

resultados obtidos em outras metodologias de

rendimento de clulas fotovoltaicas.

5 CONSIDERAES FINAIS

Com os problemas que se enfrentam nos dias de hoje

em relao ao gasto energtico, muitas solues so

criadas e discutidas para combat-los. A utilizao de

energias renovveis est sempre presente nas

solues encontradas. Dentre elas, a energia solar

ganha grande destaque devido localizao

privilegiada da maioria dos pases do mundo,

principalmente na regio de Minas Gerais, no Brasil,

que possui um excelente potencial para utilizao

dessa energia.

Com o objetivo de propor uma soluo mais

econmica para esse problema que enfrentado em

todo o mundo, no presente trabalho efetuou-se a

otimizao de uma clula fotovoltaica orgnica de

Gratzl, visando reduzir os seus custos em relao

aos atuais painis solares j utilizados. O maior

desafio encontrado no projeto foi a substituio do

vidro de borosilicato com uma camada condutora de

SnO2 por fios de cobre, formando uma rede condutora

sobre a placa de vidro.

91


Aps a concluso do prottipo da clula em escala

reduzida, pode se observar um comportamento

caracterizado pela capacidade de produzir energia

eltrica a partir do fornecimento de energia solar, alm

de armazenar essa energia produzida por um intervalo

de tempo. Ainda necessrio notar que a clula ter

um rendimento menor ao proposto por clulas tipo

Gratzl (SANTOS, 2005), devido ao fator de

resistividade interna do sistema, que impactou

diretamente nos valores de rendimento dessa clula.

Entretanto, o fator de perda calculado no tempo

mensurado no experimento apresentou uma variao

pequena, considerando a modificao feita na clula e

a energia provida de tal alterao.

Ao trmino deste projeto obteve-se resultados

satisfatrios em relao alterao no modelo

proposto por Gratzl, mostrando a viabilidade em sua

elaborao e um possvel desenvolvimento de

tecnologia para conduo da energia produzida pela

clula.

REFERNCIAS

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