Células solares sensibilizadas por corante com contra eletrodos de NB2O5 e PEDOT:PSS

Abstract

Resumo: O uso de dispositivos fotovoltaicos é uma alternativa para suprir a crescente demanda energética, células solares sensibilizadas por corante (CSSC), são dispositivos promissores visando a geração de energia limpa. Modificações na estrutura destes dispositivos, podem tornar seu uso mais vantajoso. O poli(3,4- etilenodioxitiofeno) poliestireno sulfonato (PEDOT: PSS) atraiu considerável interesse para substituir a cara e rara platina (Pt) em contra eletrodos (CE) de CSSC. O uso de pentóxido de nióbio (Nb2O5) combinado com este polímero ainda não foi relatado. Desse modo, a finalidade desta pesquisa é desenvolver e caracterizar dispositivos fotovoltaicos de terceira geração com CE de PEDOT:PSS puro e misturado a diferentes tipos de Nb2O5. Na primeira parte deste trabalho, utilizou-se Nb2O5, produzido pela metodologia Pechini, posteriormente aperfeiçoou-se a metodologia através de estudo estatístico visando obtenção de cristalitos menores, e este óxido foi comparado com outros fornecidos pela Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração (CBMM). Para a caracterização dos filmes foram utilizadas microscopia eletrônica de varredura, difração de raios X, espectroscopia de fotoluminescência e Raman. Para caracterização dos dispositivos foram utilizadas curvas de tensão de circuito aberto (Voc), densidade de corrente de curto circuito (Jsc), densidade de corrente versus potencial, fotocronoamperiometria, espectroscopia de impedância eletroquímica (EIE), espectroscopia de foto-corrente e foto-voltagem com intensidade modulada. O desempenho do CSSC com CE de PEDOT:PSS (eficiência = 0,89%) foi significativamente melhorado pela incorporação de Nb2O5 com eficiência de 2,65% (aumento de 200%). As melhores condições definidas por planejamento experimental para obter menor tamanho de cristalitos do Nb2O5 (? 3,65 nm), sintetizadas pela metodologia Pechini, foram proporção ácido cítrico (AC) para oxalato amoniacal de nióbio 1:0,01 e AC para etileno glicol 1:4. A eficiência da CSSC com CE de PEDOT:PSS puro utilizado na segunda etapa foi de 0,34%. A eficiência para as células com CE de PEDOT:PSS misturado ao Nb2O5, obtido a partir do planejamento experimental, foi de 1,33% (aumento de ?300%). Para as células com PEDOT:PSS misturados aos Nb2O5, provenientes da CBMM, verificou-se as eficiências de 1,79% para o CE Nb-GO_PEDOT:PSS (aumento de ?430%), de 1,71% para o CE Nb- HI_PEDOT:PSS (aumento de ?410%), e o pior desempenho foi para amostra Nb- AP_PEDOT:PSS, com eficiência de 0,54% (aumento de ?60%). A melhoria observada pela adição de Nb2O5 ao PEDOT:PSS é atribuído a uma redução da resistência à transferência de carga no filme conforme mostrado pela EIE e melhoria na condutividade e atividade catalítica.

Abstract: The use of photovoltaic devices is an alternative to meet the growing energy demand, dye-sensitized solar cells (DSC), are promising devices aimed at generating clean energy. Modifications in the structure of these devices can make their use more advantageous. Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT: PSS) has attracted considerable interest to replace the expensive and rare platinum (Pt) in counterelectrodes (CE) of CSSC. The use of niobium pentoxide (Nb2O5) combined with this polymer has not yet been reported. Thus, the purpose of this research is to develop and characterize third generation photovoltaic devices with PEDOT:PSS CE pure and mixed with different types of Nb2O5. In the first part of this work, Nb2O5 was used, produced by the Pechini methodology, later the methodology was improved through a statistical study aimed at obtaining smaller crystallites, and this oxide was compared with others provided by the Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração (CBMM). Scanning electron microscopy, X-ray diffraction, photoluminescence spectroscopy and Raman were used to characterize the films. To characterize the devices were used, curves of open circuit voltage (Voc), short circuit current density (Jsc), current versus potential density, photochronoamperiometry, electrochemical impedance spectroscopy (EIS), photo-current spectroscopy and photo-voltage with modulated intensity.The performance of DSC with CE dand PEDOT:PSS (efficiency = 0.89%) was significantly improved by the incorporation of Nb2O5 with efficiency of 2.65% (increase of 200%). The best conditions defined by experimental design to obtain a smaller crystallite size of Nb2O5 (? 3.65 nm), synthesized by the Pechini methodology, were citric acid (CA) to ammoniacal oxalate of niobium 1:0.0 1 and CA to ethylene glycol 1:4. The efficiency of CSSC with pure PEDOT:PSS CE used in the second stage was 0.34%. The efficiency for cells with PEDOT:PSS CE mixed with Nb2O5, obtained from the experimental design, was 1.33% (increase of ?300%)). For cells with PEDOT:PSS mixed with Nb2O5 from CBMM, were verified for efficiencies of 1.79% CE Nb-GO_PEDOT:PSS (increase of ?430%), 1.71% for CE Nb-HI_PEDOT:PSS (increase of ?410%), and the worst performance was for sample Nb-AP_PEDOT:PSS, with efficiency of 0.54% (increase of ?60%). The improvement observed by the addition of Nb2O5 to PEDOT:PSS is attributed to a reduction in resistance to charge transfer in the film as shown by EIS and improvement in conductivity and catalytic activity.