7/22/2019 Construir Celula Fotovoltaica
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Physics on Stage
Fazer uma clula fotovoltaica
Nos ltimos anos, tem-se assistido a um crescente interesseda
sociedade por questes ligados proteco do ambiente,da poupana dos
recursos energticos e da procura denovos recursos alternativos, no
poluentes, como porexemplo a utilizao da energia solar. Todos
conhecemos asclulas solares (painis) fotovoltaicas que se encontram
nasauto-estradas, nos telhados de casas (infelizmente muitopouco em
Portugal), nos satlites de telecomunicaes enoutros lugares onde no
existe rede elctrica. Na suamaioria estas clulas solares baseiam-se
no semicondutorde silcio (Si) que muito utilizado na
microelectrnica. Ofacto da tecnologia das clulas fotovoltaicas no
ter umagrande utilizao na produo directa de electricidade,deve-se
aos, ainda relativamente elevados, custos deproduo. Da que existam
um elevado nmero de grupos deinvestigao no mundo e em Portugal a
investigar novosmateriais que no o Si e novos mtodos de preparao.
Umdos mais recentes resultados de investigao mostrou que possvel
usar materiais orgnicos na produo de energia,envolvendo um processo
semelhante ao que acontece nanatureza com a fotosintese. Em 1991,
um grupo deinvestigao na Suia, do Instituto Federal de
Tecnologia,sob a orientao do Professor Michael Grtzel,
desenvolveuuma clula fotovoltaica baseada num corante sinttico
quetransforma uma grande parte da energia solar em energiaelctrica.
Ao contrrio da fotosintese, onde a energia solar utilizada nas
plantas para a produo de acar, na clulade Grtzel a energia solar
directamente utilizada para a
produo de energia elctrica. Nos seces seguintesdescreveremos o
funcionamento da clula solar utilizandoconhecimentos de
Fsico-Qumica do 3ciclo do EnsinoBsico e do Secundrio fornecendo a
receita para apreparao de uma clula solar fotovoltaica na sala de
aula.
Princpio de funcionamento da clulafotovoltaica de Grtzel
O que acontece na fotosntese? A fotosintese nada maisdo que a
transformao de energia solar em energiaqumica. A energia solar
utilizada para fomentar atransformao de dixido de carbono (CO2) e a
gua (H2O)
em oxignio (O2) e glucose (acar). Na clula
fotovoltaica,pretende-se a transformao da energia solar
directamenteem energia elctrica.A clula fotovoltaica de Grtzel
constituda principalmentepor molculas de um corante (dye), um
semicondutornanocristalino (TiO2, dixido de titnio), um
electrlito(soluo de Iodo), dois elctrodos de vidro com uma
camadacondutora e transparente (SnO2) e um catalisador (grafite
ouplatina). Na figura seguinte apresenta-se o esquema daclula que
vamos preparar:
Figura 1: Estrutura da clula fotovoltaica.
O corante (dye) recebe do electrlito um electro, (reacoIII,
abaixo). As molculas do electrlito (soluo de iodo) soreduzidas no
elctrodo positivo (recebem um electroatravs do elctrodo). Para
facilitar a reduo das molculasna superfcie do elctrodo depositado
uma camada fina degrafite. Para haver um fluxo da corrente elctrica
necessrio ligar os dois elctrodos a uma resistncia de
carga.
Reaces qumicas:
(I) dye + luz (energia solar) dye*
(II) dye* + TiO2 e-(TiO2) + dye oxidado
(III) dye oxidado + I2
3 dye (neutro) + 3
2
3I
(IV) 32
3I + e-(elctrodo) I
2
3
Camada
conductoraTiO2 Corante
(ch, vinho tinto)
S*
S/S+
Electrlito Elctrodo
hv
Red Ox
e
-
e-
e-
eVout
R
E(eV)
1.0
0
-0.5
0.5
(-)
Camada
conductora
Camada
conductora
Camada
conductoraTiO2TiO2 Corante
(ch, vinho tinto)
S*
S/S+
Corante
(ch, vinho tinto)
S*
S/S+
ElectrlitoElectrlito ElctrodoElctrodo
hvhv
Red OxRed Ox
e
-
e
-
e-e-
e-e-
eVout
eVout
RR
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 clula fotovoltaica
Escola Cooperativa Vale (S.Cosme) e Departamento de Fsica da
Universidade de Aveiro
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Preparao da clula fotovoltaica
A preparao da clula fotovoltaica passa-se em 4 passos:1.
Preparao do elctrodo negativo (-)2. Preparao do elctrodo positivo
(+)3. Colocao da soluo colorida no elctrodo negativo (-)4. Montagem
da clula fotovoltaica
A descrio da preparao da clula tem como pressupostoque a
pasta/soluo de TiO2 e a soluo do corante (ch) jse encontra prontas
a utilizar.
Passo n 1:Preparao do elctrodo negativo (-)a) Limpar as lamelas
de vidro sem a camada de TiO 2(transparente) com gua e uma escova e
depois secar comum pano ou um secador.b) Todas as lamelas tem um
lado que coberto por umacamada condutora de SnO2 (ITO). O lado
condutor da lamelapode ser determinado atravs da medida da
resistnciaelctrica com o multmetro.
c) Coloque na mesa a lamela com a superfcie condutorapara cima e
fixe-o com fita adesiva.d) Com a pipeta cheia, colocada na
superfcie descobertada lamela a soluo/pasta de TiO2.
Figura 3: Colocao da pasta de TiO 2 na lamela de vidro.
e) Com a p distribui-se a pasta de TiO2 na superfcie demodo a
obter um f ilme fino e homogneo.f) Caso o resultado no seja
satisfatrio, limpe a lamela comum pano hmido e repita a colocao do
TiO2.g) No toque na soluo de TiO2 pois isso diminui a
suaeficincia!h) Seque com um secador a soluo de TiO2 at que
arestante humidade tenha evaporado. A distncia entre osecador e a
lamela deve ser cerca de 10 cm.i) Retire a fita adesiva da lamela
com cuidado e sem tocar noTiO2.j) Coloque a lamela num forno, para
cozer o filme de TiO2.A temperatura deve ser entre os 450C e 550C.
O tempo de
recozimento de cerca 10 minutos.
Passo n 2:Preparao do elctrodo positivo (+)a) Limpar uma outra
lamela de vidro com a camadacondutora e transparente com gua e uma
escova e depoisseque com um pano ou um secador.b) Determine o lado
condutor da lamela com o multmetro(medir a resistncia).c) Coloque
na superfcie condutora da lamela de vidro umacamada de grafite com
o lpis. A superfcie do vidro deverficar escurecida.
Figura 4: Preparao do elctrodo positivo com um filme de
grafite.
Passo n. 3:Colocao do corante no elctrodo negativo (-)
a) Depois de o elctrodonegativo estar frio, necessrio pint-lo
coma soluo colorida (ch)
anteriormente preparada.b) Coloque o elctrodona soluo colorida
deforma a cobrircompletamente o elc-
trodo.
Figura 5: Colocao do corante.
c) Depois de 5 minutos retire o elctrodo da soluo. Oelctrodo
dever ficar com uma cor vermelho/violeta.d) Limpe com muito cuidado
o elctrodo da soluo coloridaque se encontra nos bordos da lamela.e)
Seque com o secador o elctrodo. O elctrodo est seco,quando a
intensidade da cor ficar mais fraca.
Passo n 4:Montagem da clula fotovoltaicaa) Junte os dois
elctrodoscomo indicado na figura 6,utilizando um clip. Acamada de
TiO2 activadacom o corante tem queestar em contacto com acamada de
grafite. Paramais tarde ligar os caboselctricos clulafotovoltaica,
necessriomontar os elctrodosdesfasados.
b) Para activar a clulafotovoltaica, coloque umagota de
electrlito naclula fotovoltaica (verfigura 7).
Figura 6: Montagem final da clula.
Figura 7: Activar a clula.
c) Para observar o funcionamento da clula, ligue a clula
aomultmetro e mea a corrente elctrica. Vai observar que atenso vai
aumentar lentamente. Para esta configuraodever medir uma tenso em
circuito aberto de cerca 0,3V.
Estudos a realizar com a clula fotovoltaica nasala de aula
(clubes de cincia e ambiente)
No foi fcil fazer a sua clula fotovoltaica?Partindo desta
experincia pode fazer um conjunto demedidas e interessantes
investigaes, no mbito dadisciplina de Fsico-Qumica ou em Clubes de
Fsica. Emseguida apresentamos alguns dos tpicos que
podemrealizar.
1. Determinao da curve I-V da clula fotovoltaica.2. Determinao
da potncia em funo da resistncia decarga.3. Influncia do tipo de
corante para os valorescaractersticos da clula. Como outros
corantes podem serusados por exemplo: vinho tinto, sumo, outro
tipos de ch,
etc.4. Influncia da camada catalisadora (grafite) para
ofuncionamento da clula.
Escola Cooperativa Vale (S.Cosme) e Departamento de Fsica da
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Exemplos de estudos
Determinao da curve I-V da clula fotovoltaica.
A caracterizao de uma clula fotovoltaica realizadaatravs da
medida da curva corrente-tenso (I-V). A curvaI-V pode ser
determinada medindo a tenso e a corrente da
clula fotovoltaica para diferentes valores da resistncia
decarga. Na tabela seguinte encontram-se os dadosexperimentais de
corrente, tenso e resistncia obtidosnuma das clulas fotovoltaicas
de Grtzel.
I(A) U(V) R()374 0.0017 5
373 0.0037 10.4
372 0.007 20
370 0.011 31.2
367 0.019 54
356 0.061 170
352 0.073 207
353 0.095 266
355 0.106 300
346 0.132 380
343 0.142 413
333 0.168 505
324 0.182 556
307 0.201 652
248 0.248 1000
149 0.3 2000
106 0.32 3000
82 0.33 4000
67 0.336 5000
56 0.34 6000
No grfico em baixo, representa-se a curva corrente-tenso.
Figura 8: Curva corrente-tenso.
A forma da curva corrente-tenso semelhante de umajuno
semicondutora p-n (dodo). A clula fotovoltaicacomporta-se para
baixos valores de tenso como uma fontede corrente (V
