INICIAÇÃO CIENTÍFICA-GRATZEL (RELATÓRIO PARCIAL I )

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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS

Ana Paula França Gomes de Andrade Nárcia Elizabeth Diogo de Sena

ESTUDO DA CONVERSÃO DE ENERGIA SOLAR EM ELÉTRICA A PARTIR DA CÉLULA DE GRÄTZEL

Belo Horizonte 2017

Ana Paula França Gomes de Andrade Nárcia Elizabeth Diogo de Sena

ESTUDO DA CONVERSÃO DE ENERGIA SOLAR EM ELÉTRICA A PARTIR DA CÉLULA DE GRÄTZEL

Projeto de pesquisa apresentado ao Fundo de Incentivo à Pesquisa da PUC Minas (FIP/PUCMINAS) Coordenador: Prof. Dr. José Roberto Faleiro Ferreira

Belo Horizonte 2017

SUMÁRIO

INTRODUÇÃO Neste trabalho busca-se por mostrar o estudo de células solares orgânicas, neste caso a Grätzel como um incremento novo para a produção de energia elétrica baseadas em fontes limpas e renováveis. As plantas utilizam um pequeno espectro desta energia proveniente do sol no processo de fotossíntese. A radiação solar, juntamente com outros recursos energéticos, tal como a energia eólica, hidroeletricidade e biomassa, é responsável por grande parte da energia renovável disponível na terra. As células solares sensibilizadas por corantes têm sido estudadas na última década como uma promissora fonte de energia renovável capaz de substituir as células existentes, devido à sua tecnologia de fabricação de baixo custo em comparação com as células solares de silício. Essas são bastante complexas, sendo constituídas por um filme nano poroso de material semicondutor de alto gap, em geral o n-TiO2, um contra eletrodo de material catalítico (platina ou carvão ativado), um eletrólito com um par oxiredutor (em geral iodo/tri-iodeto) e um corante foto-excitável, que pode ser natural ou artificial e as interações entre eles são bastante estudadas. O corante pode ser sintético, como os complexos de Rutênio e Ósmio, e também pode ser natural (orgânico), contendo flavonóides, destacando-se as antocianinas. As antocianinas estão presentes nas folhas, frutos e flores das plantas e pode ser facilmente obtidas por processos extrativos convencionais, o que torna mais barato o custo de produção da célula solar, quando comparada com aquelas em que são usados corantes sintéticos. Além das antocianinas, outros pigmentos estão sendo investigados como os carotenóides, as betalaínas, a clorofila e outros compostos orgânicos. O corante utilizado na célula é fator determinante para que se tenha uma boa conversão fotovoltaica, pois é a partir da excitação deste pela luz, que se dá a geração de eletricidade no foto-eletrodo. Em vista das grandes vantagens que este tipo de tecnologia pode trazer para nosso país, do nosso potencial solar e da grande variedade vegetal, optou-se por desenvolver uma célula solar sensibilizada por uma macromolécula de origem vegetal, através da extração da clorofila, para assim medir a quantidade de energia elétrica proveniente desse tipo de célula.

OBJETIVOS Confeccionar uma fotocélula do tipo célula Grätzel para medir quanta energia elétrica se obtém de uma fotocélula a base de clorofila. Objetivos específicos 

Desenvolver um sistema de aquisição de dados para monitoramento da irradiação solar e do comportamento da fotocélula desenvolvida;



Realizar simulações em ambiente computacional, antecipando e comprovando os resultados práticos;



Obter modelos adequados aos sistemas de geração de energia com células fotovoltaicas;



Gerar relatórios e documentações, formalizando as atividades relacionadas à pesquisa;



Auxiliar na implementação de um roteiro para criação de células fotovoltaicas de baixo custo e fácil fabricação;

METODOLOGIA 4.1 Revisão Bibliográfica Nesta etapa pesquisa-se sobre o tema abordado no projeto em diversas fontes buscando selecionar dentre elas a que apresente material mais adequado para esse estudo. 4.2 Estudo da resposta da clorofila a radiação luminosa Nesta etapa serão feitas simulações em ambiente computacional e serão desenvolvidos experimentos de modo a obter modelos adequados ao sistema de geração de energia elétrica por uma célula fotovoltaica orgânica.

4.3 Desenvolvimento da célula de Grätzel Nesta etapa será construída uma fotocélula do tipo de Grätzel.

4.4 Experimentos com a célula de Grätzel Nesta etapa será estudada a geração de energia pela célula desenvolvida.

4.5 Análise dos resultados experimentais e elaboração do relatório final Nesta etapa serão criados o relatório e os formulários para a documentação das atividades desenvolvidas nesse projeto.

Célula de Grätzel As células Grätzel ou células DSC (Dye-Sensitized Solar Cells) ou em português células solares sensibilizadas por corantes são uma categoria de células solares que foram inventadas pela equipe do Professor Michael Grätzel, na Suíça, no ano de 1990, por isso os europeus a denominam de células de Grätzel. Geralmente as células solares fotovoltaicas mais empregadas são as que utilizam do elemento silício, esse fato se verifica devido a sua maior eficiência, porém são células de alto custo e como alternativa ao seu uso tem-se as células solares orgânicas. Potencialmente, as células de Grätzel apresentam comparadas as de silício, um custo consideravelmente mais baixo porque elas podem ser fabricadas por um processo similar ao da impressão, são mais leves e flexíveis podendo assim se adaptar à arquitetura ou a construção dos objetos. Neste estudo, busca-se utilizar dessas células orgânicas para a conversão da energia luminosa proveniente da irradiação solar em energia elétrica. Uma célula solar Grätzel é composta por uma camada porosa de nano partículas de um pigmento branco, o dióxido de titânio, coberta por um corante molecular que absorve a luz solar, como a clorofila nas folhas verdes. O dióxido de titânio revestido com pigmento é imerso em uma solução eletrolítica, e um catalisador à base de platina completa a estrutura. Para que ocorra a geração de energia a partir desse tipo de célula será empregada no processo a clorofila (corante sintético) e será necessário conhecer um pouco do processo natural denominado fotossíntese realizado pelas plantas fotossintetizantes.

Figura 1- Esquema da célula de Gratzel

Fonte: (FREITAS, 2006)

Composição da Célula de Gratzel

A célula de Gratzel é composta de duas pequenas placas de vidro, recobertas por um substrato condutor transparente de óxido de estanho (SnO2) ou material similar. Sobre o lado condutor de um desses vidros, é depositada uma fina camada com 10-40 μm de espessura, de nanopartículas de TiO2, de 5-30 μm de diâmetro. Esse vidro é então sintetizado a uma temperatura de 400 °C, adquirindo características de um semicondutor nanoporoso de elevada área de superfície. (FREITAS, 2006)

Na figura abaixo temos mostra um esboço de uma CSNS dando ênfase aos elementos constituintes e ao ciclo do iodo no eletrólito.

Figura 2 - Componentes de uma CSNS

Fonte: (FREITAS, 2006)

O processo da fotossíntese Na fotossíntese, processo bioquímico no qual a irradiação solar incidente nas plantas é convertida em energia química que é utilizada para a produção de carboidratos (açúcares), diferente do que ocorre em uma célula solar de clorofila, pois a energia será convertida apenas em energia elétrica. Na figura a seguir, pode-se visualizar a equação responsável pelo fenômeno da fotossíntese. Figura 3 – Equação da fotossíntese das plantas

Fonte:tabelaperiodicacompleta.com 2017

A figura a seguir possibilita conhecer as reações luminosas ligadas as plantas.

Figura 4 – Reações Luminosas

Fonte:

Os pigmentos responsáveis pela fotossíntese denominados clorofilas tipo a absorvem a luz na região próxima ao azul e violeta enquanto as clorofilas associadas a carotenoides denominadas do tipo b não são capazes de realizar a conversão de energia, transferindo assim para as clorofilas tipo a a energia captada do fóton. Quando os pigmentos recebem a energia luminosa tornam-se excitados e assim ocorre o deslocamento dos elétrons do nível atual para níveis mais energéticos. A substância que doa os elétrons fica oxidada e a receptora torna-se a substância reduzida, esse efeito é denominado de oxido-redução. A clorofila recupera os elétrons doados através da reação de foto-oxidação da água, onde os átomos de hidrogênio H e oxigênio O são separados e os 4 elétrons resultantes são doados.

Funcionamento da célula Grätzel A célula é composta pincipalmente por moléculas de um corante (“dye”), um semicondutor nanocristalino (TiO2, dióxido de titânio), um eletrólito (solução de Iodo), dois eléctrodos de vidro com uma camada condutora e transparente (SnO2) e um catalisador (grafite ou platina). A conversão de energia se dá pelo efeito fotovoltaico onde a luz proveniente do sol passa através do catodo e do eletrólito e, em seguida, retira elétrons do anodo de dióxido de titânio, que é um semicondutor e está localizado na parte inferior da célula. Os elétrons migram pelo fio a partir do anodo até o catodo, gerando a corrente elétrica. Desta forma, a irradiação solar é convertida em eletricidade. As equações que representam as reações químicas envolvidas estão representadas a seguir 𝑑𝑦𝑒 + 𝑙𝑢𝑧 (𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟) → 𝑑𝑦𝑒 ∗ 𝑑𝑦𝑒 ∗ + 𝑇𝑖𝑂2 → 𝑒 − (𝑇𝑖𝑂2 ) + 𝑑𝑦𝑒 𝑜𝑥𝑖𝑑𝑎𝑑𝑜 𝑑𝑦𝑒 𝑜𝑥𝑖𝑑𝑎𝑑𝑜 +

3 − 3 𝐼 → 𝑑𝑦𝑒 (𝑛𝑒𝑢𝑡𝑟𝑜) + 𝐼3− 2 2

3 − 3 𝐼3 + 𝑒 − (𝑒𝑙𝑒𝑡𝑟𝑜𝑑𝑜) → 𝐼 2 2

Figura 5 - Esquema de energias da célula fotovoltaica

Fonte: (FREITAS, 2006)

Estudo da clorofila A clorofila é o pigmento mais abundante da natureza e seu principal papel é a absorção da luz solar e sua conversão para energia química durante a fotossíntese, processo este fundamental para a vida. A fotossíntese abrange dois sistemas, as reações luminosas, que ocorrem apenas quando as plantas estão iluminadas, e as reações de fixação de carbono, que ocorrem tanto na luz quanto na escuridão. Nas reações luminosas, a clorofila e outros pigmentos fotossintetizantes absorvem a energia luminosa e a conservam na forma química de dois produtos ricos em energia, o ATP e o NADPH, posteriormente é produzido o O2. Nas reações de fixação de carbono, o ATP e o NADPH são utilizados para reduzir o CO2 para formar glicose e outros compostos orgânicos. A clorofila é localizada em pequenas organelas, os plastídeos, que por conta da sua cor verde são chamados de cloroplastos. Os cloroplastos são envolvidos por duas membranas lipoproteicas, que atuam como uma barreira seletiva ao transporte de vários metabólitos para dentro e fora dos cloroplastos. No compartimento inteiro há uma matriz, o estroma, onde se encontram muitas vesículas ou sacos achatados chamados de tilacóides, que também são revestidos por uma membrana. O conjunto de vários tilacódies chama-se granum. Na figura a seguir pode-se visualizar as partes e os componentes da clorofila.

Figura 6 - Estrutura dos cloroplastos

Fonte: (http://www.calazans.ccems.pt/cn//)

Propriedades físicas e químicas da clorofila A clorofila e as enzimas requeridas para as reações luminosas encontram-se armazenadas, incrustadas nestas membranas tilacóides, associadas a proteínas (GROSS, 1991), enquanto as enzimas necessárias para as reações de fixadoras de carbono encontram-se no estroma (RUDIGER & SCHOCH, 1988). A clorofila é uma molécula planar que está sempre ligada a proteínas de forma nãocovalente, e acompanhada de carotenoides. As plantas verdes contem principalmente clorofila a, que corresponde a 75% dos pigmentos verdes totais, e a clorofila b, que é um pigmento complementar, na razão aproximada de 3:1. Analisando a capacidade de absorção da luz, a clorofila b é capaz de absorver entre 450 e 480 nm, enquanto a clorofila a absorve entre 400 e 450 nm (GROSS, 1991). Assim, a clorofila b complementa a captação da luz para fazer a fotossíntese, mesmo em condições de pouca insolação existem plantas que crescem na sombra ou em ambientes com pouca iluminação e isso pode ser explicado pelo fato de que essas plantas apresentam grandes quantidades de clorofila b. Na figura que segue, pode-se avaliar o espectro de absorbância relacionado as clorofilas sendo que a clorofila a está representada pela linha continua e clorofila b pela linha linha pontilhada. Figura 7 - Espectro de absorbância das clorofilas

Fonte: (http://www.calazans.ccems.pt/cn//)

No estudo da clorofila a princípio deve-se defini-la e caracterizá-la do ponto de vista da físico-química que ela apresenta. As clorofilas são os pigmentos naturais verdes mais abundantes presentes nas plantas e ocorrem nos cloroplastos das folhas e em outros tecidos vegetais, também encontramos em organismos procariontes. Os pigmentos clorofilados encontrados em diferentes plantas são os mesmos, porém a distribuição e presença desses pigmentos, como por exemplo, nos carotenoides, se diferenciam quanto a sua coloração. (VON ELBE, 2000) As clorofilas localizadas nos cloroplastos, esses que são organelas onde ocorre o processo de fotossíntese que é dividido em dois processos sendo eles: a fotoquímica, nas membranas dos tilacóides e a bioquímica, estroma do cloroplasto. Quimicamente, a clorofila não é uma molécula isolada, mas compreende uma família de substâncias semelhantes entre si, designadas de clorofila a, b, c e d. As clorofilas são moléculas formadas por complexos derivados da porfirina, tendo o Magnésio (Mg) como átomo central. É um composto formado por uma estrutura macrocíclica assimétrica insaturada possuindo quatro anéis de pirrol. Estrutura responsável pela absorção de luz em um determinado comprimento de onda. (SCHOEFS, 2002) A clorofila a, a mais abundante e a mais importante dessa família, corresponde a aproximadamente 75% dos pigmentos verdes encontrados nos vegetais. As clorofilas a e b encontram-se na natureza numa proporção de 3:1, respectivamente, e diferem nos substituintes de carbono C-3. Na clorofila a, o anel de porfirina contém um grupo metil (-CH3) no C-3 e a clorofila b (considerada um pigmento acessório) contém um grupo aldeído (-CHO), que substitui o grupo metil-CH3, como apresentado na figura abaixo. As clorofilas c e d são encontradas em algas. (LANFER-MARQUEZ, U. M., 2003)

Figura 8 - Estrutura química da clorofila a e clorofila b

Fonte: Ciência Rural, v.35, n.3, mai-jun, 2005.

Além das clorofilas a e b, que estão presentes em vegetais superiores, algas verdes e em algumas bactérias, existe ainda a clorofila c, que é encontrada em algas matinhas, dinoflageladas e diatomáceas marinhas, e a clorofila d, presente em algas vermelhas (SCHWARTZ &LORENZO, 1990). As estruturas das moléculas da clorofila estão representadas na figura 9 a seguir: Figura 9 - Estrutura química da clorofila a

Fonte: (http://www.calazans.ccems.pt/cn//)

Na tabela a seguir tem-se os tipos de clorofilas com suas devidas cadeias. Figura 10 - Estrutura molecular das clorofilas.

Fonte: (http://www.calazans.ccems.pt/cn//)

A estrutura atômica de determinadas substâncias é tal que as tornam capazes de absorver a luz. Quando a luz incide em um átomo capaz de absorvê-la, alguns elétrons são ativados e elevados a um nível energético superior. O átomo entra em um "estado ativado", rico em energia e muito instável. Quando os elétrons excitados voltam aos seus orbitais normais, o átomo volta ao seu estado-base. Esse retorno é acompanhado pela liberação de energia, como calor ou como luz.

A

luz

emitida

dessa

forma

é

chamada fluorescência.

Nos cloroplastos, as moléculas de clorofila possuem essa característica. Entretanto, o seu elétron excitado não devolve a energia captada através da fluorescência, mas a transfere para outras substâncias. Há, portanto, transformação da energia luminosa captada em energia química.

Resposta da clorofila a radiação luminosa As plantas utilizam-se da radiação fotossinteticamente ativa (RFA ou PAR) que está compreendida entre 390 e 760nm, chamada luz visível. Para que a fotossíntese se inicie, os pigmentos precisam absorver um fóton. Normalmente há uma cooperação entre as moléculas de clorofila, aumentando a eficiência da fotossíntese.

Em uma unidade fotossintética há o pigmento aprisionador, ou molécula aprisionadora, onde a energia irá se concentrar após ter passado por várias outras moléculas, e as outras moléculas são responsáveis por captar as radiações e as transferem para um único ponto. As moléculas de clorofila absorvem a energia luminosa (fótons) e alteram temporariamente as suas configurações eletrônicas. Estes pigmentos passam do estado basal (Chl a) para o estado excitado (nível de energia mais alto). Figura 10 - Espectro visível da luz

Fonte: Peter Hermes Furian / Shutterstock.com

Cada molécula de clorofila pode absorver apenas 1 quantum de energia de cada vez, este que causa excitação de um determinado elétron de um dos átomos da molécula. Os elétrons que estão em “camadas” no estado estável do átomo recebem a energia e podem se deslocar para “camadas” mais distantes do núcleo, a uma distância que é proporcional à energia de um fóton absorvido. A molécula do pigmento encontra-se, então, no estado excitado, e é esta energia de excitação que é usada na fotossíntese. De forma geral as clorofilas e outros pigmentos permanecem no estado excitado por períodos muito curtos (1 bilionésimo de segundo = 10^-9), no caso da Clorofila essa excitação dura cerca de 15 nano segundos e a energia é perdida por calor ou por fluorescência (ROMANO, 2001). Desta maneira, estes pigmentos fotossintéticos, após receberem a energia dos fótons,

dissipam esta energia proveniente da luz na forma de radiação. Porém menos energética que inicialmente, pois parte da energia da molécula foi perdida enquanto ela estava excitada. Figura 11 - Absorção de espectro clorofilas a e b pelo comprimento de onda

Fonte: (http://www.calazans.ccems.pt/cn//)

Entretanto a molécula pode perder sua energia através de conversões internas, tendo uma vida média mais longa e emitindo uma radiação com comprimento de onda mais longo, porém menos energético, sendo este processo chamado fosforescência. Neste processo, a molécula excitada pode interagir com outra molécula, realizando trocas de energia.

Aplicação comercial contextualizada Os Módulos poliméricos têm sido amplamente aplicados em mercados não aproveitados pelos módulos feitos em células de primeira e segunda geração. Por conta de suas características convenientes, muitos projetos utilizam os módulos OPV(Organic Photovoltaics). Pela leveza e flexibilidade, estes módulos têm ampla aplicação em unidades móveis. Por exemplo, malas e mochilas podem conter um sistema OPV sem grandes diferenças de peso. Outro sistema que também é utilizado, é para a refrigeração de automóveis. Alguns protótipos contam com um teto revestido de módulos poliméricos que acionam um sistema eletrônico de refrigeração quando o carro está estacionado sob áreas descobertas. Outra aplicação dos Módulos OPV é referente a telhados inadequados à instalação de módulos que necessitem um suporte mecânico mais robusto. É o que ocorre em tetos de vidro, telhados de alumínio e telhados de amianto. Por conta do baixo peso, há pouca tensão de cisalhamento no sistema, o que torna adequado o projeto.

Referente ao Design, os Módulos Poliméricos também ganham importância. Com propriedades como semi-transparência, leveza, flexibilidade e possibilidade de multicoloração, os Módulos OPV são aplicado em tetos de vidro customizado, janelas e terraços. Muitas vezes auxiliam também no equilíbrio térmico do ambiente, além de conferir a geração de energia elétrica. Muitos compradores têm preferido trabalhar com os módulos orgânicos, tendo em vista as possibilidades diversas que esta tecnologia oferece.

O começo dos trabalhos com as Células Solares

O início dos estudos com o efeito fotovoltaico se deu em meados do século 19. Estudando o comportamento de sólidos em soluções eletrolíticas, o cientista francês Antoine Henri Becquerel observou que placas metálicas imersas nestas soluções e expostas à luz, geram certa quantidade de tensão e corrente. Posteriormente, em 1877, Adams e Day fizeram experimentos com selênio e chegaram a conclusão de que a tensão da célula tinha grande dependência da quantidade de luz incidente. No início dos anos 40, começaram a ser desenvolvidas as primeiras células solares feitas de silício. Eram então desenvolvidas as Células Solares de Primeira Geração. Por conta dos avanços nos processos de fabricação (Como a dopagem do silício), estudo da geometria solar bem como formato dos módulos, a eficiência na geração de energia elétrica a partir dos painéis fotovoltaicos cresceu consideravelmente. Se os primeiros módulos de selênio atingiam cerca de 1% de eficiência no início das pesquisas com o efeito fotovoltaico, atualmente alcança-se cerca de 30% de eficiência com alguns módulos. Posteriormente às Células de Primeira Geração, foram desenvolvidas as Células de Segunda Geração. Estas Células Solares se caracterizam pela utilização da tecnologia de filmes finos, onde se utiliza menos material para que possa ser fabricada. Possuem eficiência menor, porém, como utilizam menor quantidade matéria prima em sua fabricação, possuem grande viabilidade econômica, na maior parte dos casos. São feitas com muitos materias diferentes, como: Telureto de cádmio, silício amorfo, silício monocristalino, silício policristalino, tendo outros materiais com uma participação menor na fabricação em termos de mercado. As Células de Terceira Geração começaram a ter desenvolvimento significativo no final dos anos 80. Michael Grätzel e Brian O’Regan foram os pioneiros no desenvolvimento deste modelo de célula. São feitas de forma híbrida, ou seja, utilizam materiais orgânicos e inorgânicos ou somente materiais orgânicos. Se caracterizam por combinarem um baixo custo de fabricação e uma mescla de propriedades de seus materias, conferindo boa resistência

mecânica, flexibilidade, leveza, bom isolamento térmico e pouca dependência do ângulo de incidência solar. Porém, a baixa eficiência das Células Solares de Terceira Geração desfavorece a viabilidade de projeto em alguns casos. Por conta disso, um grande desafio contemporâneo é a melhora da eficiência de conversão dos Módulos Poliméricos.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS NOGUEIRA, A. F. Células solares de “Grätzel” com eletrólito polimérico. 2001. 185 f. Tese (Doutorado em Química) Instituto de Química, Universidade Estadual de Campinas, Campinas, 2001. CHAGAS, F. C.M. Células solares: estrutura semicondutor - isolante – semicondutor. 1984. 125 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) Universidade Estadual de Campinas, Campinas, 1984. FREITAS, F.E. Célula Solar De Sno2/Tio2 Preparada Por “Spray” – Pirólise Ativada Com Corante Orgânico. 2006. Tese (Curso de Pós-Graduação em Ciência dos Materiais) Universidade Estadual Paulista, Ilha Solteira, 2006. STREIT, N, M. As Clorofilas. Ciência Rural, Santa Maria, v.35, n 3, p. 748-755, mai-jun, 2005. J.S. Agnaldo1, J.B.V. Bastos1,2, J.C. Cressoni1 e G.M. Viswanathan. Células solares de TiO2 sensibilizado por corante. Departamento de Física, Universidade Federal de Alagoas, Maceió, AL, Brasil Departamento de Engenharia Química, Universidade Federal de Alagoas, Maceió, AL, Brasil, 2005 A Melhoria da Qualidade da Energia a partir do Gerenciamento de Energia pelo Lado da Demanda. CBQEE - Congresso Brasileiro de Qualidade de Energia Elétrica, pp. 33-39. 12 mai. 2013 G.P. Smestad, M. Grätzel, J. Chem. Educ. 75, 752 (1998). B. O’Regan, M. Grätzel, Nature 353, 737-739 (1991). SANTOS, Vanessa Sardinha dos. "Fotossíntese"; Brasil Escola. Disponível . Acesso em 19 de abril de 2017.

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Físico Química – Atkins, Peter; Paula Julio; 2013 Brasil.TABELA PERIÓDICA COMPLETA. Disponível em:. Acesso em 19 de abril de 2017.