Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / Os objetivos deste trabalho foram sintetizar, caracterizar e empregar como corantes sensibilizadores os complexos [Ru(dcbpy)(bpy)(bqdi)], [Ru(dcbpy)(bpy)(bqdi-Cl)] e cis-[Ru(H2dcbpy)(bpy)(nic)Cl]PF6, em que H2dcbpy e dcbpy sÃo, respectivamente, o ligante 4,4â-dicarboxi-2,2â-bipiridina e sua forma deprotonada, bpy à 2,2â-bipiridina, bqdi à 1,2-benzoquinonadiimina, bqdi-Cl à 4-cloro-1,2-benzoquinonadiimina e nic à nicotinamida. Os complexos sintetizados foram caracterizados por tÃcnicas espectroscÃpicas e eletroquÃmica. Os espectros UV-vis apresentaram bandas na regiÃo do visÃvel (aproximadamente 520 nm) atribuÃdas a transiÃÃes do tipo MLCT com mÃximos diferentes do complexo de partida devido à modificaÃÃo da esfera de coordenaÃÃo. Os espectros vibracionais na regiÃo do infravermelho mostraram bandas caracterÃsticas do composto de partida e dos ligantes. Os espectros de RMN 1H obtidos para os compostos com bqdi e bqdi-Cl mostraram sinais referentes aos prÃtons destes ligantes coordenados na forma oxidada. A voltametria cÃclica mostrou processos relativos ao par redox RuIII/II positivamente deslocados em relaÃÃo ao composto de partida, apresentando-se irreversÃveis para os complexos contendo os ligantes bqdi e bqdi-Cl e quasi-reversÃvel para o complexo de nicotinamida. Foram montadas DSSCs utilizando os complexos sintetizados como sensibilizadores. Para os complexos [Ru(dcbpy)(bpy)(bqdi)] e [Ru(dcbpy)(bpy)(bqdi-Cl)], observou-se que nÃo houve conversÃo de luz em corrente elÃtrica. Para o complexo cis-[Ru(H2dcbpy)(bpy)(nic)Cl]PF6, verificou-se um potencial de circuito aberto de 610 mV, uma corrente de curto-circuito de 2,4 mA cm-2 e um fator de preenchimento de 0,73. Estes valores sÃo inferiores aos obtidos para o corante N3 nas mesmas condiÃÃes experimentais, mas sÃo indicativos promissores que demonstram que este complexo deve ser melhor investigado como sensibilizador em CÃlulas Solares Sensibilizadas por Corante. / Dye-Sensitized Solar Cells (DSSCs) are devices capable of converting light into electricity. DSSCs are based on the absorption of light by a dye, which injects electrons into the conduction band of a semiconductor. This study aims to synthesize, characterize and employ as sensitizers the complexes [Ru(dcbpy)(bpy)(bqdi)], [Ru(dcbpy)(bpy)(bqdi-Cl)] and cis-[Ru(H2dcbpy)(bpy)(nic)Cl]PF6, where H2dcbpy and dcbpy are, respectively, 4,4â-dicarboxy-2,2â-bipyridine and its deprotonated form, bpy is 2,2â-bipyridine, bqdi is 1,2-benzoquinonediimine, bqdi-Cl is 4-chloro-1,2-benzoquinonediimine and nic is nicotinamide. The complexes were characterized by spectroscopic and electrochemical techniques. These complexes showed broad metal-to-ligand charge transfer (MLCT) absorptions bands at about 520 nm. 1H NMR spectra for the compounds with bqdi and bqdi-Cl showed peaks consistent with the respective oxidized form. Cyclic voltammetry showed a significant positive shift in redox potential for the RuIII/II redox couple in comparison to the starting material. The photovoltaic performances of the solar cells based on these complexes are under investigation. The results for the sensitizers [Ru(dcbpy)(bpy)(bqdi)] and [Ru(dcbpy)(bpy)(bqdi-Cl)] were not promising. On the other hand, the results for cis-[Ru(H2dcbpy)(bpy)(nic)Cl]PF6 revealed a short-circuit current density of 2.4 mA cm-2, an open-circuit voltage of 610 mV and a fill factor of 0.73 under standard AM 1.5 sunlight. These results were lower than that obtained to N3, but it shows that this complex needs further investigation.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / Dedicado à deposiÃÃo e caracterizaÃÃo de filmes finos de Sulfeto de CÃdmio e DiÃxido de TitÃnio para a aplicaÃÃo em cÃlulas solares fotovoltaicas. Cada filme foi depositado por um processo diferente. O reagente TiO2 da marca vetec, foi misturado com Ãcido clorÃdrico em soluÃÃo aquosa formando uma dispersÃo. Essa dispersÃo foi espalhada sobre o substrato de vidro e depois aquecida com uma chapa aquecedora. Depois de formado o filme, foram feitos MEV e EDX do mesmo. Para preparar o CdS foi necessÃrio um procedimento um pouco mais complexo, que à a deposiÃÃo por banho quÃmico, onde à feita uma mistura de reagentes e mergulhado o substrato nesta mistura. Ocorreram reaÃÃes quÃmicas cujo resultado foi a formaÃÃo do CdS, que ocorre em toda a superfÃcie do recipiente e do substrato imerso na soluÃÃo. As mesmas caracterizaÃÃes feitas no TiO2 foram feitas no CdS, ambos mostraram uma boa uniformidade, tambÃm foi observado que os filmes mostraram uma boa aderÃncia ao substrato. A fim de comprovar a aplicatividade dos filmes para fins fotovoltaicos, preparou-se um protÃtipo de cÃlula solar fotovoltaica, que foi colocada em contato com a luz solar para assim medir a corrente elÃtrica e a diferenÃa de potencial. TambÃm foram medidos os mesmos parÃmetros no escuro, para comparaÃÃo de resultados e comprovaÃÃo da geraÃÃo de energia elÃtrica atravÃs do contato com a luz. AtravÃs dos resultados destes testes, concluiu-se que os filmes apresentaram o efeito fotoelÃtrico, sendo assim, aplicÃveis em cÃlulas solares fotovoltaicas. / This work is dedicated to the deposition and characterization of thin films of cadmium sulfide and titanium dioxide for application in photovoltaic solar cells. Each film is deposited by a different process. The reagent TiO2 brand Vetec, was mixed with hydrochloric acid in aqueous solution forming a dispersion. This dispersion is spread on the glass substrate and then heated with a plate heater. After the deposit, were made SEM and EDX of the films. In order to prepare CdS a more complex process called chemical bath deposition was required, made of a mixture of reagents with the substrate immersed in it. Chemical reactions occurred which result was the formation of CdS, which occurs across the surface of the container and the substrate immersed in the solution. The same characterizations were carried out on TiO2 in CdS, showed in both good uniformity, was also observed that the films showed good adhesion to the substrate. In order to prove that films are applicable for photovoltaic energy conversion, a prototype of a solar photovoltaic cell was prepared, which was placed in contact with a type of light for measuring electrical parameters like the electric current and potential difference. We also measured the same parameters in the dark, for comparison of results and to prove power generation in contact with the light. The research tests provides evidence that films showed the photoelectric effect, therefore, applicable in photovoltaic solar cells.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / FundaÃÃo Cearense de Apoio ao Desenvolvimento Cientifico e TecnolÃgico / One of the greatest challenges of our time is to devise means to provide energy in a sustainable way to attend an exponentially growing demand. The energy demand is expected to grow 56% by 2040. In this context, the use of clean and sustainable sources of energy is imperative. Among these sources, solar energy is the only one which can meet the total world energy requirement even considering such large growth in demand. The solar power incident on the Earth's surface every second is equivalent to 4 trillion 100-watt light bulbs. Photovoltaic solar cells are one of several ways to harness solar energy. These cells convert solar energy directly into electricity. Commercial photovoltaic devices are already a reality, but their share of the world energy matrix is still quite small, mainly due to the high costs. Next generation photovoltaics open a number of new possibilities for photovoltaic energy applications that can potentially decrease the overall cost of energy production. Transition metal semiconductor oxides are promising materials that can be produced by low cost methods and oer interesting new features. The use of these materials in next generation photovoltaics is therefore a very promising and interesting application. In this thesis work zinc, titanium and vanadium oxides were used in next generation solar cells. Thin lms of zinc oxide were synthesized by the low cost and environmentally friendly techniques of electrodeposition and hydrothermal synthesis and applied as working electrodes in highly ecient dye sensitized solar cells (DSSCs). The lms were characterized by structural and optical techniques while the cells were tested by current vs: voltage and quantum eciency measurements. The eciencies of these cells were as high as 2.27% using ZnO thin lms without any post deposition treatment. Moreover, natural dyes extracted from plants of northeastern Brazil were applied as sensitizers in DSSCs assembled with commercial available TiO 2 as working electrode. The natural dyes were extracted employing very simple methods and were characterized by XPS and UPS techniques. Their band alignments were shown to be compatible with the TiO 2 as well as with the mediator electrolyte. The eciency of DSSCs sensitized with natural dyes were as high as 1.33%. Finally, water based V 2 O 5 was used as hole transport medium (HTM) in conventional organic solar cells (OSCs) and ITO-free, plastic OSCs. The results obtained with V 2 O 5 were compared with the results obtained from cells assembled with PEDOT:PSS, which is the most used HTM. This comparison showed that the use of V 2 O 5 as HTM can lead to more ecient OSCs. The stability of these devices were evaluated by tests applying the ISOS standards ISOS-D-1, ISOS-L-1 and ISOS-O-1. A UV-lter and a protective graphene oxide (GO) layer were employed seeking to improve the stability of OSCs. The combination of both UV-lter and GO protective layer was shown to be the most eective way to improve the stability of these devices / Um dos maiores desafios do nosso tempo à desenvolver formas para fornecer energia de forma sustentÃvel para atender uma demanda que cresce exponencialmente e que deverà crescer 56% atà 2040. Neste contexto, o uso de fontes limpas e sustentÃveis de energia à um imperativo. Entre essas fontes, a energia solar à a Ãnica que pode satisfazer a necessidade total de energia do mundo, mesmo considerando o crescimento na demanda. A potÃncia solar incidente na superfÃcie da terra a cada segundo à equivalente a 4 trilhÃes de lÃmpadas de 100 watts. CÃlulas solares fotovoltaicas sÃo uma das vÃrias maneiras de aproveitar a energia solar, convertendo-a diretamente em eletricidade. Dispositivos comerciais fotovoltaicos jà sÃo uma realidade, mas a sua participaÃÃo na matriz energÃtica mundial ainda _e muito pequena, principalmente devido aos seus custos elevados. CÃlulas fotovoltaicas de nova geraÃÃo abrem uma sÃrie de novas possibilidades para aplicaÃÃes de energia fotovoltaica que pode diminuir o custo total de produÃÃo de energia. Ãxidos semicondutores de metais de transiÃÃo sÃo materiais promissores que podem ser produzidos atravÃs de mÃtodos de baixo custo e que possuem caracterÃsticas interessantes. Por conseguinte, o uso destes materiais em energia fotovoltaica de prÃxima geraÃÃo se apresenta com uma aplicaÃÃo promissora. Nesta tese de doutorado Ãxidos de zinco, titÃnio e vanÃdio foram utilizados em cÃlulas solares de prÃxima geraÃÃo. Filmes finos de Ãxido de zinco foram sintetizados por eletrodeposiÃÃo e sÃntese hidrotÃrmica. Os filmes foram aplicados como eletrodos de trabalho em cÃlulas solares sensibilizadas por corante (DSSCS) altamente eficientes. Os filmes foram caracterizados por tÃcnicas estruturais e Ãticas enquanto que as cÃlulas foram testadas por medidas de corrente vs voltagem e de eficiÃncia quÃntica. A eficiÃncia dessas cÃlulas atingiu 2,27% utilizando filmes finos de ZnO sem qualquer tratamento pÃs-deposiÃÃo. Alem disso, corantes naturais extraÃdos de plantas do nordeste do Brasil foram aplicados como sensibilizadores em DSSCs montadas com TiO2 comercial utilizado como eletrodo de trabalho. Os corantes naturais foram extraÃdas empregando mÃtodos simples e foram caracterizados por espectroscopia de fotoelÃtrons excitados por raios X e por radiaÃÃo ultravioleta, XPS e UPS respectivamente. Seus alinhamentos de banda se mostraram compatÃveis com o TiO2 e com o eletrodo de regeneraÃÃo. A eficiÃncia das DSSCs sensibilizadas com corantes naturais chegou a 1,33%. Finalmente, V2O5 _a base de Ãgua foi usado como material transportador de buracos (HTM) em cÃlulas solares orgÃnicas (OSCs) convencionais e OSCs de plÃstico construÃdas sem ITO. Os resultados obtidos com V2O5 foram comparados com os resultados de cÃlulas construÃdas com PEDOT:PSS, que à o HTM mais utilizado. Esta comparaÃÃo revelou que o uso de V2O5 como HTM pode levar a OSCs mais eficientes. A estabilidade destes dispositivos foi avaliada por testes aplicando os padr~oes ISOS-D-1, ISOS-L-1 e ISOS-O-1. O uso de filtros ultravioleta e de uma camada protetora de Ãxido de grafeno reduzido foi testado com o intuito de melhorar a estabilidade desses dispositivos. O uso de uma combinaÃÃo de ambos se mostrou a forma mais efetiva de melhorar a estabilidade das OSCs

CoordenaÃÃo de AperfeÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / Increasing global energy demand has driven the development of renewable alternative energy sources, such as Dye sensitizers Solar Cells (DSSCs). In an attempt to contribute to this purpose, four new bipyridine ruthenium complexes containing substituted quinonoides ligands were synthesized and characterized for use as efficient dyes in DSSCs. The complexes were purified by using chromatographic techniques and characterized by the use of spectroscopic techniques. Experimental data obtained by UV-vis were compared with those from density functional theory (DFT) studies. The UV-vis spectra of these compounds showed bands at about 524 nm ascribed to MLCT transitions. Time-dependent DFT is in good agreement with experimental fit. The FT-IR showed the presence of characteristic bands quinonoid and bipyridine ligands. 1H NMR spectra exhibited the signals of quinonoid ligands as well as the expected correlations in each case by COSY. The mass spectra of compounds NN-bqdi-Br and NN-bqdi -COOH exhibited fragments that confirm the presence of their respective quinonoid moiety. The results show that the NN-bqdi-complex (CH3)2, NN-bqdi-COOH, Nn-bqdi-Br and NN-bqdi-(Cl)2 were obtained and with future perspectives to study the performance of these compounds such a dye for DSSCs. / O aumento da demanda energÃtica mundial tÃm impulsionado o desenvolvimento de fontes alternativas de energia renovÃveis, como as cÃlulas solares sensibilizadas por corantes (DSSCs). Na tentativa de contribuir para esse propÃsito, quatro novos complexos bipiridÃnicos de rutÃnio, contendo ligantes quinonÃides substituÃdos foram sintetizados e caracterizados para utilizaÃÃo como corantes sensibilizadores eficientes em DSSCs. Os complexos foram purificados por meio do uso de tÃcnicas cromatogrÃficas e caracterizados por meio do uso de tÃcnicas espectroscÃpicas. Os resultados de UV-vis obtidos experimentalmente foram comparados com os obtidos a partir de estudos de DFT. Os espectros de UV-vis dos compostos apresentaram bandas em aproximadamente 524 nm, atribuÃdas a transiÃÃes do tipo MLCT. A investigaÃÃo teÃrica dos complexos sintetizados neste trabalho confirma que as bandas observadas nos espectros de UV-vis dos compostos sÃo similares Ãs observadas experimentalmente, sugerindo que as bases utilizadas nos cÃlculos de DFT sÃo capazes de descrever o perfil eletrÃnico dos complexos. Os espectros vibracionais na regiÃo do infravermelho exibiram bandas caracterÃsticas da presenÃa de ligantes bipiridÃnicos e quinonÃides. Os espectros de RMN de 1H e COSY exibiram os sinais indicativos da presenÃa dos ligantes quinonÃides substituÃdos, bem como as correlaÃÃes esperadas em cada caso. Os espectros de massa dos compostos NN-bqdi-Br e NN-bqdi-COOH exibiram fragmentos que confirmam a presenÃa dos respectivos ligantes quinonÃides nestes complexos. Os resultados obtidos evidenciam que os complexos NN-bqdi-(CH3)2, NN-bqdi-COOH, NN-bqdi-Br e NN-bqdi-(Cl)2 foram obtidos e como perspectivas futuras, pretende-se estudar a performance destes compostos como corantes sensibilizadores em DSSCs.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / Complexos de bipiridinas de rutÃnio sÃo bastante estudados na literatura por apresentarem propriedades de interesse em diversas Ãreas como estudos fotoquÃmicos e fotofÃsicos, aplicaÃÃo em sistemas biolÃgicos e como fotosensibilizadores em cÃlulas solares. No presente trabalho, os complexos do tipo cis-[Ru(bpy)(dcbH2)(L)Cl], onde L = Azul do Nilo (NB), Azul de Toluidina (TBO), 9-Aminoacridina (9AA), Azure B (AB) e Violeta de Cresila (VC) foram sintetizados e caracterizados por tÃcnicas espectroscÃpicas e eletroquÃmica para aplicaÃÃo em cÃlulas solares sensibilizadas por corante (DSCs). AlÃm destes, o complexo cis-[Ru(dcbH2)(bpy)(TCNE)Cl] (Ru-TCNE) tambÃm foi testado como sensibilizador em DSC. Estes compostos apresentaram bandas de transferÃncia de carga do tipo MLCT na regiÃo do visÃvel e potenciais redox termodinamicamente favorÃveis para as reaÃÃes de transferÃncia de carga que ocorrem no dispositivo fotoeletroquÃmico. A adsorÃÃo quÃmica dos complexos sensibilizadores na superfÃcie do TiO2 foi evidenciada pelo deslocamento das bandas de MLCT para regiÃes de menor energia quando comparadas aos espectros em soluÃÃo. Os desempenhos fotovoltaicos dos complexos como sensibilizadores em DSC foram avaliados atravÃs das curvas corrente versus potencial, obtidas em condiÃÃes padrÃo AM 1,5. As DSCs contendo os sensibilizadores Ru-TBO e Ru-AB apresentaram os menores desempenhos fotovoltaicos com eficiÃncia global de 0,02 e 0,06%, respectivamente. JÃ as cÃlulas solares sensibilizadas pelos corantes Ru-NB e Ru-VC obtiveram um rendimento de 0,11% com baixos valores de eficiÃncia de incidÃncia de conversÃo de fÃtons a corrente, IPCE. Os melhores resultados foram para as cÃlulas contendo os corantes Ru-9AA e Ru-TCNE, as quais apresentaram rendimentos de 0,54 e 2,01%, respectivamente, com valores de IPCE iguais a 10% para Ru-9AA e 48% para Ru-TCNE. Todos os complexos apresentaram eficiÃncia global de conversÃo de energia solar em elÃtrica inferiores ao complexo padrÃo N3. / Bipyridines ruthenium complexes are widely studied in the literature for presenting interesting properties in various fields such as photochemical and photophysical studies, applications in biological systems and as photosensitizers in solar cells. In this work, the complexes of the type cis-[Ru(bpy)(dcbH2)(L)Cl], where L = Nile blue (NB), Toluidine blue (TBO), 9-aminoacridine (9AA), Azure B (AB) and Cresyl Violet (VC) were synthesized and characterized by spectroscopic and electrochemical techniques for application in dye-sensitized solar cells (DSC). In addition, the complex cis-[Ru(dcbH2)(bpy)(TCNE)Cl] (Ru-TCNE) was also tested as a sensitizer DSC. These compounds showed bands of charge transfer type MLCT in the visible region and thermodynamically favorable redox potentials for the charge transfer reactions which occur in the photoelectrochemical device. The adsorption of the chemical sensitizers complexes on the surface of TiO2 was evidenced by displacement of MLCT bands to lower-energy when compared to the spectra in solution. The photovoltaic performances of the complexes as sensitizers in DSC were evaluated through current versus potential curves obtained in standard AM 1.5 conditions. The DSC sensitizers containing Ru-TBO and Ru-AB had the lowest overall efficiency with photovoltaic performances of 0.02 and 0.06%, respectively. As for the dye-sensitized solar cells by Ru-NB and Ru-VC obtained a yield of 0.11% with low efficiency values of incident conversion of photon to current, IPCE. The best results were for cells containing the dyes Ru-9AA and Ru-TCNE, with energy conversion efficiency of 0.54 and 2.01%, respectively, with IPCE values equal to 10% for Ru-9AA and 48% for Ru-TCNE moieties. All complexes showed overall efficiency of converting solar energy into electricity below the N3 complex pattern.