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CBPF-CS-009/11
Células Solares de Clorofila
Marcos de Castro Carvalho, Gerson S. Paiva e Gilmar B. A. Júnior
Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas
Neste trabalho apresentamos uma célula solar que utiliza clorofila extraída de capim.
Esta célula solar tem um grande atrativo por ser de fabricação simples e baixo custo do
que as células convencionais. Os processos de capitação e de geração de energia são
idênticos aos dispositivos semicondutores. Seu funcionamento é como na fotossíntese
em que as plantas retiram energia do Sol, só que na célula de clorofila esta energia é
convertida em eletricidade. Tecnicamente, são chamadas de células solares DSC ("Dyesensitized Solar Cell", ou célula solar sensibilizada por corante).
Palavras-chave: energia solar, dispositivos orgânicos.
INTRODUÇÃO
Energia solar é a designação dada a qualquer tipo de captação de energia
luminosa proveniente do sol, e posterior transformação dessa energia captada em
alguma forma utilizável pelo homem, seja diretamente para aquecimento de água ou
ainda como energia elétrica ou mecânica. No seu movimento de translação, a Terra
recebe 1.410 W/m² de energia, desta, aproximadamente 19% é absorvida pela atmosfera
e 35% é refletida e espalhada pelas nuvens. As plantas utilizam um pequeno espectro
desta energia no processo de fotossíntese. A radiação solar, juntamente com outros
recursos energéticos, tal como a energia eólica, hidro-eletricidade e biomassa, são
responsáveis por grande parte da energia renovável disponível na terra. Apenas uma
minúscula fracção da energia solar disponível é utilizada. A superfície total da Terra
recebe 174 petawatts (174 seguido de quinze zeros) de radiação solar (insolação). Dessa
radiação, cerca de 30% é refletida para o espaço, enquanto o restante é absorvida pelos
mares e massas terrestres. O espectro da luz solar na superfície da Terra é mais
difundida em toda a gama visível e infravermelho e uma pequena gama de radiação
ultravioleta.
A conversão da luz do Sol em eletricidade é praticamente feita por meio de
células fotovoltaicas. Tais células utilizam elementos semicondutores e hoje tem
aplicações mais amplas do que suprir energia aos engenhos aeroespaciais. Um forte
incremento na procura de novas formas de produção de energia elétrica baseadas em
fontes limpas e renováveis, a radiação solar em energia elétrica, é uma das formas de
responder a esse grande desafio da humanidade.
A capacidade mundial instalada de energia solar em 2004 era de 2,6 GW, cerca
de 18% da capacidade gerada por hidroelétrica de Itaipu. Os principais países
produtores, curiosamente, estão situados em latitudes médias e altas, regiões de menor
incidência solar. O maior produtor é o Japão (com 1,13 GW instalados), seguido da
Alemanha (com 794 MW) e Estados Unidos (365 MW).
Entrou em funcionamento em 27 de Março de 2007 a Central Solar Fotovoltaica de
Serpa (CSFS), a maior unidade do gênero que fica situada em Alentejo, Portugal, numa
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das áreas de maior exposição solar da Europa. Tem capacidade instalada de 11 MW,
suficiente para abastecer cerca de oito mil habitações. Entretanto está projetada e já em
fase de construção outra central com cerca de seis vezes a capacidade de produção
desta, locado na mesma região. Muito mais ambicioso é o projeto australiano de uma
central de 154 MW, capaz de satisfazer o consumo de 45 000 casas. Esta se situará em
Victoria e prevê-se que entre em funcionamento em 2013, com o primeiro estágio
pronto ainda este ano. A redução da emissão de gases produtores do efeito estufa,
substituindo energia convencional por esta fonte de energia limpa será de 400.000
toneladas por ano.
Para entendermos como funciona uma célula solar, primeiramente vamos
explicar o diagrama de bandas de energia para vários tipos de materiais. A distância
entre a denominada banda de valência e banda de condução determina as propriedades
de condução elétrica do material. A Figura 1 apresenta as bandas de energia para
diversos materiais.
Figura 1 – A banda de energia para vários materiais relacionada com
suas propriedades elétricas. Elétrons podem ganhar energia por
fótons e ir para a banda de condução (mostrada em azul claro).
Chama-se de nível de Fermi NF a um nível de energia imediatamente superior
aos menores estados de energia possíveis, ocupados por todos os elétrons de um
material quando a temperatura é zero Kelvin (zero absoluto). Para uma temperatura
superior alguns elétrons são excitados para níveis de energia maiores que o NF.
Nos semicondutores apenas alguns níveis de energia são permitidos, o nível de
menor energia é denominado nível de valência e o nível imediatamente superior
possível é denominado nível de condução. A distância entre estes dois níveis é
denominada faixa proibida ou equivalente a uma quantidade de energia denominada de
gap (intervalo de energia). A Figura 2 apresenta um diagrama de um semicondutor e
alguns elétrons distribuídos.
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Figura 2 – Níveis de energia em um semicondutor
com alguns elétrons distribuídos.
O NF aproxima-se do local onde estão os portadores de carga. Os materiais
semicondutores do tipo P são obtidos como, por exemplo, em estruturas como do silício
que tem 4 elétrons no último nível eletrônico (tretavalente) em que se introduz uma
impureza trivalente, ou seja, a estrutura terá um elétron a menos tendo uma
característica positiva P. Já o semicondutor do tipo N é formado por um semicondutor
tretavalente
dopado com um material pentavalente. A Figura 3a apresenta
esquematicamente os dois tipos de semicondutores. A Figura 3b mostra como é a
distribuição de energia dos dois tipos de semicondutores e o respectivo NF.
condução
valência
condução
condução
valência
Nível extra de energia
de buracos
Nível
de Fermi
Nível
de Fermi
Nível extra de energia
de elétrons
Figura 3 - (a) Semicondutores do tipo P e N em função da eletrovalência do dopante
utilizado. (b) Distribuição de energia para dois tipos de semicondutor.
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Quando é feita a junção entre os dois materiais semicondutores P e N, com energia de
gap iguais, surge na interface um campo elétrico que desequilibra o balanço de cargas e
faz um arranjo energético alcançando o equilíbrio quando os NF de ambos os materiais
são nivelados. As bandas de energia são torcidas como apresentadas na Figura 4, dando
origem à denominada de região de depleção, cuja principal característica é ausência de
elétrons ou buracos.
Figura 4 - Junção P-N com o nivelamento do nível de Fermi.
Uma célula solar é composta por uma junção de dois semicondutores P-N. Na
Figura 4 a diferença entre níveis de energia EC e EV representa a energia do gap locados
no limite inferior da banda de condução e no topo da banda de valência,
respectivamente e E representa o campo elétrico na junção.
A radiação eletromagnética é emitida ou absorvida em discretas "unidades" de
energia chamadas quantum, e expressa por E = hν, onde E é a energia de um quantum
de radiação e ν é a frequência desta radiação e h é a constante de Planck (6,625 x 10-34
J. s). A freqüência ν pode ser escrita como a razão da velocidade da luz c(que no vácuo
tem o valor 3 x 108 m/s) pelo comprimento de onda λ.
A luz é transmitida em ondas e quando absorvida ou emitida são partículas
chamadas de fótons, com energia inversamente proporcional ao seu comprimento de
onda. Assim, fótons de luz azul, de comprimento de onda curto, são mais energéticos do
que fótons de luz vermelha, de maior comprimento de onda.
Quando a junção for iluminada por uma radiação luminosa, um fóton de energia
E = hν pode excitar elétrons da banda de valência e promove-los para a banda de
condução, deixando “buracos” (ausência de elétrons) com carga positiva na banda de
valência. Este fenômeno é denominado de par elétron-buraco. Na ausência da
iluminação, os elétrons excitados retornam a banda de valência fazendo a
recombinação. Somente radiações com energia superior a Eg podem excitar os elétrons
da banda de valência a banda de condução e gerar pares elétrons buracos. A conversão
de energia solar em energia elétrica só ocorre se houver a geração de pares elétrons
buracos pela absorção dos fótons da radiação incidente com energia hν > Eg.
Quando iluminados, elétrons e buracos deslocam-se para região de depleção
antes de se recombinarem, sendo acelerados pelo campo elétrico na interface indo para
o outro lado da junção gerando assim uma corrente elétrica.
A corrente gerada está ligada a uma propriedade do dispositivo denominada de
eficiência quântica que indica a capacidade de converter fótons em pares elétron-buraco
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e depende da frequência da radiação ou do comprimento de onda incidente. A corrente
depende da intensidade da iluminação limitada pela eficiência quântica da célula.
O uso de materiais orgânicos em sistemas optoeletrônicos tomou ênfase depois
do surgimento de diodos emissores de luz (LED) atualmente usando materiais orgânicos
(OLEDs).
Na produção de energia, utilizamos um processo empregando clorofila
observando o que já acontece na natureza com a fotossíntese. Michael Grätzel em 1991
apresentou uma célula fotovoltaica baseada num corante sintético que transforma uma
grande parte da energia solar em energia elétrica. Na fotossíntese, a energia solar é
utilizada pelas plantas para a produção de açúcar, na célula solar de clorofila a energia
solar é diretamente utilizada para a produção de energia elétrica.
Os pigmentos responsáveis pela fotossíntese denominados clorofilas tipo a
absorvem luz na região próxima ao azul e violeta. Já a clorofila associada a carotenóides
é denominada de clorofila tipo b não faz conversão de energia, transfere para a clorofila
“a” a energia captada do fóton para que se faça a conversão.
Quando os pigmentos recebem energia luminosa e ficam excitados, ocorre o
deslocamento de elétrons para níveis energéticos mais elevados. A substância que doou
elétrons fica oxidada e a receptora reduz, evidenciando então uma reação de óxidoredução. 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.
Materiais e métodos
A célula de clorofila foi montada utilizando um filme transparente e condutor,
denominado TCO de dióxido de estanho dopado com flúor SnO2:F, depositado por
magnetron sputtering em substrato de vidro borossilicato de 1mm de espessura. Sobre
o TCO, foi aplicada uma pasta formada por dióxido de titânio (TiO2) misturado a uma
solução de acido acético a 2 %. Após o depósito da pasta sobre o TCO, o substrato foi
seco e endurecido em estufa a 500 oC por 10 minutos formando uma cerâmica compacta
e porosa . Foi gotejada a clorofila extraída por infusão em acetona e secando até obter
um xarope de alta viscosidade. Por fim, utiliza-se um gel condutor de polímero
carboxi-vinílico com hexametafosfato de sódio como eletrólito para finalmente fazer
contato com uma placa de cobre. A Figura 5, mostra um diagrama esquemático da
célula desenvolvida.
Figura 5 – Diagrama esquemático da célula de clorofila.
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As reações químicas envolvidas na célula obedecem à rota: a molécula de
clorofila absorvendo um fóton em um tempo extremamente rápido, cerca de 2 x 10-15
segundos. Quando a luz é absorvida por um átomo no estado fundamental, toda a
energia do fóton é adicionada a ele e o átomo passa, então, de um estado eletrônico
fundamental (S0) para um estado excitado singleto, rico em energia. Os estados
excitados singletos podem ser S1 e S2 dependendo do comprimento de onda absorvido.
Se for um fóton de luz vermelha, a clorofila passa ao estado excitado singleto S1 e se
for azul, passa ao estado excitado singleto S2. A diferença de energia entre S2 e S1 é
perdida como calor.
A transição do estado excitado S1 para o estado fundamental S0 é lenta e a
energia é dissipada de diversas maneiras, podendo ocorrer a emissão de um fóton de luz
de volta ao meio chamado de fluorescência ou pode haver a transferência de energia
entre as moléculas de clorofila até o centro de reação chamado de ressonância indutiva,
com a respectiva emissão de um elétron rico em energia do centro de reação (reação
fotoquímica redox)
Figura 6 – Diagrama de energia para a célula solar de
clorofila.
Resultados experimentais
A caracterização da célula solar foi feita através da curva corrente-tensão da
célula para diferentes valores da resistência de carga (Ver Figura 7). A figura abaixo
apresenta a curva corrente tensão da célula de clorofila produzida.
400
350
Corrente em (µA)
300
250
200
150
100
50
-0.05
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
Tensão (V)
Figura 7 - Curva da corrente gerada pela tensão.
0.40
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A curva corrente-tensão é semelhante à de uma célula semicondutora de junção
P-N.
Para obtemos a potência elétrica (Ver Figura 8), calculamos o valor para cada
resistência de carga utilizada no potenciômetro.
Figura 8 - Potência da célula solar em função da resistência da
carga no potenciômetro.
A potência máxima encontrada foi de 60µW correspondente a uma resistência de
carga de 650 Ω.
Conclusão
Um painel solar de semicondutor envolve elementos como Cádmio e Telúrio que
são considerados ecologicamente inviáveis, tornando-se necessário a pesquisa para a
construção de novos tipos de células solares, visando os problemas no campo da
sustentabilidade. O protótipo apresentado no nosso trabalho constitui um caminho para
ser seguido no sentido de se ter sistemas de conversão de energia solar em energia
elétrica de forma mais barata e economicamente viávele. Além de não agredir o meio
ambiente, por utilizar materiais ecologicamente corretos, como a clorofila extraída de
capim. O Brasil apresenta excelentes níveis de radiação solar e celulas solares de baixo
custo são altermntivas viaveis de fonte limpa e inesgotável e como solução energética
para o planeta. Esta nova alternativa tem crescido significativamente durante os últimos
anos, devido à crise do petróleo e da poluição dos combustíveis fósseis como
alternativas energéticas.
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SUGESTÕES PARA LEITURA
BRIAN O'REGAN, MICHAEL GRÄTZEL, A low-cost, high-efficiency solar cell
based on dye-sensitized colloidal TiO2 films, Nature 353, 737 - 740 (24 October 1991)
AKIRA FUJISHIMA, KENICHI HONDA, Electrochemical Photolysis of Water at a
Semiconductor Electrode, Nature 238, 37 - 38 (07 July 1972)
MINGKUI WANG, et all, A Novel Organic Redox
Triiodide/iodide
in Dye-Sensitized Solar Cells,
Volume:2,Pages:385–389Year published:(2010)
Electrolyte Rivals
Nature Chemistry
ALVARENGA, Carlos Alberto. Energia solar. Lavras: UFLA/FAEPE, 2001.
Sistema Fotovoltaico. Disponível em http://www.solenerg.com.br/conceitos