Investigação do desempenho de nanofilmes funcionais de Ti|TiO2 (anatásio, rutilo), aplicados por plasma cc pulsado magnetron sputtering em superfícies vítreas e de poliéster para painéis fotovoltaicos solares

Abstract

Resumo: Painéis fotovoltaicos solares (PVs) de usinas renováveis são componentes eletrônicos expostos ao ambiente externo muitas vezes em condições de elevada presença de contaminantes. Os elementos semicondutores, ou módulos fotovoltaicos, são protegidos por camadas poliméricas e uma superfície vitrea em sua interface com a atmosfera. No entanto, a proteção superficial acumula sujidades, formando uma nova camada que reduz a passagem de luz, ao longo do tempo, e a sua eficiência na geração de energia resultante. As sujidades podem ser oriundas da atmosfera, dejetos de pássaros, poluição atmosférica ou resíduos de vegetação e solo. Os PVs que complementam as usinas são instalados, normalmente, em regiões remotas, de difícil acesso, como o caso deste P&D&I em ilhas e/ou em regiões áridas como em desertos, ou em regiões altamente urbanizadas. Desta forma, a limpeza manual ou automatizada da superficie para a retirada desta camada de sujidade torna-se necessário, sendo a periodicidade um fator determinante no aumento de sua eficiência. No entanto, esta prática demanda do uso de recursos hídricos, não é eficiente, pode danificar a superficie do PV, quando utilizado determinados produtos químicos e expõe o colaborador a risco de acidentes. Com o objetivo de minimizar tais riscos e verificar a eficácia no processo de autolimpeza de superfícies de vidro dos PVs, foram produzidos e aplicados sobre corpos de prova de vidro e de película polimérica de poliéster, nanofilmes de Ti|TiO2 (a, r), devido as suas características de fotocatálise e de autolimpeza reportados na literatura. A técnica utilizada foi a de reação por plasma cc pulsado magnetron sputtering de um alvo do metal Ti, com posterior recozimento do nanofilme formado, para se obter superfícies com características autolimpantes. Análises físico-químicas, morfológicas, ópticas e de transmitância, entre outras, foram aplicadas no sentido da idenficação de fases do material produzido, das sujidades locais, suas possíveis origens, e da sua eficácia ou desempenho ao longo do tempo. Os testes foram realizados em laboratório e pela exposição dos corpos de prova em ambiente natural, na usina fotovoltaica flutuante instalada no reservatório da UHE Santa Clara, no estado do Paraná. Os resultados mostraram a efetividade do nanofilme Ti|TiO2 (a, r), sobre vidro, com cerca de (1,9 ± 0,03) nm de espessura nas propriedades medidas em laboratório e em ambiente natural. O material apresentou, como objeto deste estudo, uma melhoria efetiva no processo de autolimpeza (característica dos óxidos de titânio) quando comparada com a referência, de até 14% na transmitância de luz. Foram caracterizados os parâmetros ideiais do reator de plasma para a sua formação, as fases químicas produzidas, a sua aderência, a molhabilidade e a sua efetividade na remoção das sujidades aderidas na superfície do material exposto em campo, por intermédio das medidas de transmitância em UV-Vis e em luz branca (7500 W). Assim, com a metodologia e o material desenvolvidos poderão ser feitas adequações para as suas aplicações em PVs, de forma a propiciar uma minimização das suas periodicidades de limpeza manuais. Já, os nanofilmes sobre a película PES, com até 15 s de deposição, apesar dos resultados terem sido promissores ainda há a necessidade de se adequar a tecnologia para melhorar principalmente a sua durabilidade sobre a luz natural e intempéries

Abstract: Solar photovoltaic (PV) panels in renewable energy plants are electronic components exposed to the external environment, often under conditions of high contaminant presence. The semiconductor elements, or photovoltaic modules, are protected by polymer layers and a glass surface at their interface with the atmosphere. However, the surface protection accumulates dirt, forming a new layer that reduces light transmission over time, thus decreasing their energy generation efficiency. The dirt can originate from the atmosphere, bird droppings, air pollution, or plant and soil debris. PVs that complement the power plants are typically installed in remote, hard-to-reach areas, such as in R&D&I projects on islands and/or in arid regions like deserts, or in highly urbanized areas. Therefore, manual or automated cleaning of the surface to remove this dirt layer becomes necessary, with the cleaning frequency being a determining factor in improving efficiency. However, this practice requires the use of water resources, is not efficient, can damage the PV surface when certain chemicals are used, and exposes workers to the risk of accidents. In order to minimize these risks and verify the effectiveness of the self-cleaning process on the glass surfaces of PVs, Ti|TiO2 (a, r) nanofilms were produced and applied on glass and polyester polymer film test bodies, due to their photocatalytic and self-cleaning properties reported in the literature. The technique used was pulsed DC magnetron sputtering plasma reaction on a Ti metal target, followed by annealing of the formed nanofilm, to obtain surfaces with self-cleaning characteristics. Physicochemical, morphological, optical, and transmittance analyses, among others, were applied to identify the phases of the produced material, the local dirt, its possible origins, and its effectiveness or performance over time. The tests were conducted in the laboratory and by exposing the test bodies to a natural environment at the floating photovoltaic plant installed at the Santa Clara Hydroelectric Reservoir in the state of Paraná. The results showed the effectiveness of the Ti|TiO2 (a, r) nanofilm on glass, with a thickness of about (1.9 ± 0.03) nm, in the properties measured both in the laboratory and in the natural environment. The material demonstrated, as the object of this study, an effective improvement in the self-cleaning process (a characteristic of titanium oxides) when compared to the reference, with up to 14% improvement in light transmittance. The ideal plasma reactor parameters for its formation were characterized, along with the chemical phases produced, its adhesion, wettability, and effectiveness in removing dirt adhered to the surface of the material exposed in the field, through UV-Vis and white light (7,500 W) transmittance measurements. Thus, with the methodology and material developed, adjustments can be made for their applications in PVs, aiming to minimize their manual cleaning frequencies. As for the nanofilms on the PES film, with up to 15 s of deposition, although the results were promising, there is still a need to adjust the technology to improve its durability under natural light and weather conditions