Orientador: Marco-Aurelio De Paoli / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-04T22:57:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Freitas_JilianNeide_M.pdf: 8316699 bytes, checksum: 55e34d22b75f9c9b873f2edbf8cba703 (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: Investigaram-se células solares de TiO2/corante e eletrólito polimérico visando a construção de um módulo de 9 V. O filme de TiO2 depositado sobre substratos de FTO (fIuorine tin oxide) em vidro foi obtido a partir da modificação de uma suspensão comercial do óxido coloidal em água. Para obter um filme com bom desempenho, utilizou-se uma suspensão com 0,45 g mL à qual foi adicionado 33 % (m/m) de polietilenoglicol com massa molar 20000. O eletrólito empregado nas células consistiu de Nal e I2 dissolvidos em poli(óxido de etileno-co-epicloridrina) contendo os co-monômeros na proporção 87:13, respectivamente. A condutividade iônica máxima desse sistema ocorreu para uma concentração de sal de 15 % (m/m) em relação à matriz polimérica; 2,7 x 10 S cm sob umidade < 1,0 ppm e ~ 30°C. Com o objetivo de aumentar a condutividade iônica, adicionou-se g-butirolactona como plastificante, mantendo-se a concentração de sal em relação à massa de polímero. Observou-se um aumento de cerca de uma ordem de grandeza na condutividade iônica e no coeficiente de difusão das espécies eletroativas no eletrólito plastificado. A suspensão de TiO2 e o eletrólito otimizados foram utilizados na preparação de células solares com área ativa de 1,0 e 4,5 cm. As células menores foram irradiadas com uma lâmpada de Xe. Sob 10 mW cm foram obtidas eficiências de conversão de energia de 2-3 %. As células com área ativa maior foram caracterizadas diretamente sob o Sol e apresentaram eficiência média de 0,9 % (às 12 h). Estes dispositivos foram usados na montagem de módulos de16 células conectadas em série, produzindo 9 V de potencial e 183 mW (valor integrado em um dia). Em conclusão este trabalho demonstrou que, é possível construir um módulo com células solares de TiO2/corante preparadas com eletrólito polimérico plastificado. O desempenho do módulo excedeu as expectativas, sendo a estabilidade o principal desafio para permitir a sua futura aplicação em escala comercial. / Abstract: TiO2 dye-sensitized solar cells assembled with polymer electrolyte were investigated aiming at the construction of a 9 V module. The TiO2 film deposited on substrates of FTO (fluorine tin oxide) on glass was obtained through the modification of a colloidal oxide suspension in water . To obtain a film with good performance, a suspension containing 0.45 g mL of TiO2 and 33 wt % of polyethyleneglycol with molar weight of 20000 was employed. The electrolyte consisted of Nal and I2 dissolved in poly(ethylene oxide-co-epichlorydrin) containing the monomers in the molar ratio 87:13. The maximum ionic conductivity for this system occurred for a concentration of salt of 15 wt % in relation to the polymer matrix; 2.7 x 10 S cm under relative humidity lower than 1.0 ppm and 30°C. To increase the ionic conductivity, g-butyrolactone was added to the electrolyte as a plasticizer, maintaining the salt concentration constant in relation to the polymer. The measured ionic conductivity and diffusion coefficient for the plasticized electrolyte were both increased by ca. one order of magnitude. Both, optimized TiO2 suspension and electrolyte, were applied in solar cells assembled with active area of 1.0 or 4.5 cm. The smaller cells were investigated under 10 mW cm irradiation, with a Xe lamp, and the efficiency of energy conversion was 23 %. The larger cells were characterized directly under the Sun with an average efficiency of 0.9 % (at 12:00 h). These were used to assemble a 9 V module by connecting in series 16 cells. The integrated average daily power was 183 mW. In summary, this work demonstrated that it is feasible to assemble a module with dyesensitized solar cells employing a plasticized polymer electrolyte. The performance of the modules exceeded all expectations and their stability is the main challenge to allow a future commercial scale application. / Mestrado / Quimica Inorganica / Mestre em Química

Orientador: Claudio Longo / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química / Made available in DSpace on 2018-08-20T05:20:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Oliveira_BrunoHondade_M.pdf: 1755012 bytes, checksum: c581e51105ddf9e770994460e5171e65 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: As células fotoeletroquímica de TiO2/corante, que convertem energia solar em elétrica, são constituídas por fotoeletrodo de TiO2 modificado com um corante, contra-eletrodo de Pt e um eletrólito contendo o par redox I/ I3. Neste trabalho, investigaram-se eletrólitos constituídos por NaI/I2 dissolvido em uma matriz polimérica de poli(óxido de etileno), PEO, contendo 10% (em massa) dos polifluoretos polivinilideno (PVdF) e polivinilideno hexafluoro-propileno, PVdF-HFP. Inicialmente, averiguou-se que um eletrólito constituído por 14% de NaI ( em relação à massa de PEO) em PEO/PVdF-HFP apresentou melhor desempenho em uma célula solar que um eletrólito similar em matriz PEO/PVdF. Determinou-se então, para eletrólitos de PEO/PVdF-HFP, a condutividade iônica em função da concentração de NaI para filmes depositados entre eletrodos bloqueantes de aço. O valor máximo de condutividade, 0,3 mScm, foi obtido para o eletrólito contendo mNaI/mPEO = 20%. Em uma célula simétrica, constituída por dois eletrodos de Pt, os voltamogramas cíclicos obtidos para este eletrólito apresentaram picos bem definidos, indicando a reversibilidade do par redox neste eletrólito. A adição de 10% (em massa) de PVdF-HFP proporciona característica amorfa à matriz polimérica, o que garante alta mobilidade iônica. As células solares preparadas com este eletrólito (área ativa de 0,5 cm) apresentaram, no 1° dia, valores médios de corrente de curto circuito de 3,9 mA cm e potencial de circuito aberto, VOC, de 0,6V e eficiência de conversão 1,1% sob irradiação de um simulador solar (120mWcm, 27°C). Através de medidas de espectroscopia de impedância eletroquímica sob irradiação (no Voc, ± 10 mV), observou-se baixa resistência em série e estimou-se o coeficiente de difusão das espécies redox no sistema em D= 3.10 cms. As curvas corrente-potencial foram determinadas durante 30 dias consecutivos; sendo observada estável depois de 15 dias e uma diminuição de 60% de sua eficiência inicial / Abstract: Dye-sensitized solar cell convert solar energy in electricity, are made up nanoporous TiO2 electrode modified by a Ru-complex dye, Pt counter electrode and an electrolyte containing the redox couple I/ I3. This dissertation was to investigate electrolytes consisting of NaI/I2 dissolved in a polymer matrix of poly (ethylene oxide), PEO, containing 10% (by weight) of polyvinylidene polyvinylidene (PVDF) and polyvinylidene Hexafluorosilicic propylene, PVdF-HFP. Initially, it was found that electrolyte content 14% of NaI (mNaI/mPEO) in PEO / PVdF-HFP performed better on a solar cell array in a similar electrolyte PEO / PVdF. It was determined then to electrolyte PEO / PVdF-HFP, the ionic conductivity as a function of NaI concentration for films deposited between steel blocking electrodes. The maximum conductivity, 0.3 mScm, was obtained for he electrolyte containing mNaI / mPEO = 20%. In a symmetric cell, consisting of two Pt electrodes, the cyclic voltammograms obtained for this electrolyte showed well defined peaks, indicating the reversibility of the redox couple in electrolyte. The addition of 10% (in mass) of PVdF-HFP provides the characteristic amorphous polymer matrix, which ensures high ion mobility. Solar cells prepared with this electrolyte (active area 0.5 cm) presented on first day, mean values of short circuit current of 3.9 mA cm and open circuit potential, VOC of 0.6 V and conversion efficiency of 1.1% under irradiation of a solar simulator (120 mWcm, 27°C). Through measures electrochemical impedance spectroscopy under irradiation (in VOC, ± 10 mV), there was low resistance in series and estimated the diffusion coefficient of redox species in the system at D = 3.10 cms. The current-potential curves were determined for 30 consecutive days, being observed stable after 15 days and a decrease of 60% of its initial efficiency / Mestrado / Físico-Química / Mestre em Química

As células solares orgânicas, ou dispositivos fotovoltaicos orgânicos (OPVs), vêm se consolidando como uma tecnologia promissora para a geração de energia limpa e renovável devido aos progressos observados nos últimos anos em termos de eficiência e, sobretudo, ao seu baixo custo e facilidade de processamento, e à sua adaptabilidade à eletrônica flexível. Entretanto, ainda se faz necessário aumentar sua eficiência, sua estabilidade e seu tempo de vida de operação. Esses desafios só serão superados por meio de uma melhor compreensão dos processos de geração e de recombinação dos portadores fotogerados, e dos fenômenos de transporte eletrônico ao longo do dispositivo, desde a geração dos portadores até sua coleta pelos eletrodos. A perda de propriedades quando em operação sob condições ambientais é outro obstáculo a ser vencido, e para isso, é necessário conhecer as razões que provocam a degradação do dispositivo. Neste contexto, esta tese tem por objetivo o estudo de propriedades fundamentais que governam a geração, recombinação, transporte e coleta de cargas pelos eletrodos de células solares orgânicas com estrutura ITO/PEDOT:PSS/PTB7-Th:PC71BM/Ca/Al em diferentes condições de funcionamento. Em específico, em atmosfera inerte de nitrogênio e em atmosfera ambiente. O primeiro passo nesse sentido foi a fabricação e otimização dos dispositivos através de diferentes métodos experimentais. Conseguimos progredir muito na parte de confecção, produzindo células OPVs com eficiência de 7,85 %. Posteriormente, realizamos um estudo comparativo entre dois dispositivos com essa estrutura, sendo a diferença entre eles a adição de um aditivo durante a preparação da camada ativa (PTB7-Th:PC71BM): a molécula de 1,8-diiodooctano (DIO). Os dispositivos foram então caracterizados por técnicas de absorção de UVVis e Microscopia de Força Atômica (AFM). Os estudos elétricos dos dispositivos foram realizados por medidas de J-V no escuro e sob iluminação (1 sol), em diferentes temperaturas (150 a 300 K). Com o auxílio da equação de Mott-Gurney obtivemos os valores de mobilidade eletrônica (&mu;) dos portadores de cargas, para diferentes temperaturas, em ajustando-se as curvas de retificação no escuro. Os ajustes das respostas J-V (fotocorrente) sob iluminação foram ajustadas por uma equação derivada da cinética das taxas de geração e extração, em considerando-se cinética de segunda ordem para a recombinação bimolecular, de onde extraímos a razão &mu;2k (k é o coeficiente de recombinação) também para diferentes temperaturas. Deste estudo, foi possível concluir que o efeito do DIO na morfologia da camada ativa melhora o processo de condução por hopping e diminui o coeficiente de recombinação, o que possibilita um melhor desempenho fotovoltaico do dispositivo. Esse estudo permitiu obter o fator de redução (&zeta;) do coeficiente de recombinação, e sua variação com a temperatura. O nosso último estudo foi investigar os mecanismos de degradação de um dispositivo com DIO exposto em condições ambientais, sobretudo devido à ação do oxigênio. Nesse estudo foram realizadas medidas de Foto-CELIV (Extração da Corrente pelo Aumento Linear da Tensão -CELIV) e os ajustes das curvas de J-V sob iluminação foram feitos pela equação de circuito equivalente de uma célula solar dos quais obteve-se a variação das resistências série e paralelo em função do tempo de exposição ao ambiente. / Organic solar cells, or organic photovoltaics devices (OPVs), have been consolidating as a promising technology for the generation of clean and renewable energy due to the progress observed in recent years in terms of efficiency, and above all by its low cost and ease of processing, and their adaptability to flexible electronics. However, it is still required to increase its efficiency, its stability and its operating life. These challenges will only be overcome through a better understanding of the processes of generation and recombination of the photogenerated carriers, and of the phenomena of electronic transport throughout the device, from the generation of the carriers to their collection by the electrodes. The loss of properties when operating under environmental conditions is another obstacle to be overcome, and for this, is mandatory to well known the reasons of degradation effects. In this context, this thesis aims at the study of fundamental properties that govern the generation, recombination, transport and collection of charges by the electrodes, at different operating conditions, having ITO/PEDOT:PSS/PTB7-Th:PC71BM/Ca/Al as structure. Specifically, in an inert atmosphere of nitrogen, and in an ambient atmosphere. The first step in this direction was the manufacturing and optimization of the devices through different experimental methods. We achieved a great of progress in the manufacturing process, producing OPV cells with 7.85% efficiency. Afterward, we performed a comparative study between two devices of this structure, the difference between them being the addition of an additive during the preparation of the active layer (PTB7-Th: PC71BM): the 1,8-diiodooctane (DIO) molecule. The devices were then characterized by UV-Vis absorption techniques and Atomic Force Microscopy (AFM).The electrical studies of the devices were performed by J-V measurements, in the dark and under illumination (1 sol), at different temperatures (150 to 300 K). With the aid of the Mott-Gurney equation we obtained the values of electronic mobility (&mu;) of the charge carriers, for different temperatures, by adjusting the rectification curves in the dark. The adjustments of the JV responses under illumination were obtained by an equation that was derived from the kinetics of the generation and extraction rates, considering second-order kinetics for bimolecular recombination. From such fitting, it was extracted the &mu;2k ratio (k is the coefficient of recombination) also for different temperatures. From this study, it was possible to conclude that the effect of DIO on the active layer morphology improves the hopping conduction and decreases the recombination coefficient, leading to a better photovoltaic performance of the device. This study allowed to obtain the reduction factor (&zeta;) of the recombination coefficient, and its variation with temperature. Our last study was to investigate the mechanisms of degradation of a device with DIO exposed in environmental conditions, mainly due to the action of oxygen. In this study, photo-CELIV (Current Extraction by Linear Increasing Voltage - CELIV).technique was performed and the adjustments of the J-V curves under illumination were made by the equivalent circuit equation of a solar cell, from which the variation of the series and parallel resistances was obtained as a function of the exposure time to the environment.

Orientadores: Ana Flávia Nogueira, Valtencir Zucolotto / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química / Made available in DSpace on 2018-08-22T02:59:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Almeida_LuizCarlosPimentel_D.pdf: 6880507 bytes, checksum: f7a2c24853f25411226ae9b66a2de97b (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Neste trabalho foram estudados filmes finos multicamadas baseados em polímeros condutores, nanotubos de carbono e um derivado de fulereno. Esses filmes foram depositados pela técnica de deposição camada por camada (LbL) via interações eletrostáticas. Esse trabalho está dividido em duas partes: 1-) Filmes LbL baseados no polímero conjugado poli(p-fenilenovinileno) (PPV) e nanotubos de carbono de parede única funcionalizados com grupos carboxílicos (SWNTCOOH) foram preparados em arquitetura de bloco, caracterizados e aplicados como fotoeletrodos em células solares fotoeletroquímicas. A morfologia desses filmes foi avaliada por microscopia de força atômica (AFM) e de epifluorescência, as quais indicaram uma variação morfológica significativa dos filmes após adição de camadas de nanotubos de carbono. A transferência de carga fotoinduzida do polímero condutor PPV para o SWNT-COOH foi analisada por supressão de fotoluminescência (PL). A caracterização fotoeletroquímica foi realizada sob irradiação de luz branca e os fotoeletrodos contendo SWNT-COOH apresentaram valores de fotocorrente de até 7,5 mA cm. A fotocorrente aumentou e tornou-se mais estável quando uma camada do polímero poli(3,4-etilenodioxitiofeno) dopado com poli(4-sulfonato de estireno) (PEDOT:PSS) foi depositada entre o eletrodo ITO e o filme LbL. 2-) Foram preparados filmes LbL baseados no polímero conjugado poli[2-(3-tienil)-etoxi-4-butilsulfonato] de sódio (PTEBS) e no derivado de fulereno C60-F. A caracterizacao fotofísica mostrou a ocorrência de transferência fotoinduzida de carga do PTEBS para o C60-F, a qual foi também demonstrada por meio da geração de fotocorrente obtida quando os filmes (PTEBS/C60-F) foram aplicados como fotoeletrodos em células solares fotoeletroquímicas. Os resultados obtidos fazem dos filmes LbL baseados em semicondutores orgânicos candidatos promissores para conversão de energia solar. / Abstract: In this work, multilayer thin films based on conducting polymers, carbon nanotubes and fullerene derivatives were studied. These films were fabricated by layer-by-layer deposition technique (LbL) through electrostatic interactions. This work is divided in two parts: 1-) LbL films composed of a conducting polymer poly(p-phenylenevinylene) (PPV) and carboxylic acid functionalized singlewalled carbon nanotubes (SWNT-COOH) were prepared in a block architecture, characterized and applied as electrodes in photoelectrochemical solar cells. Film morphology was evaluated by atomic force and epifluorescence microscopies, showing remarkable changes after incorporation of SWNT-COOH layers. The photoinduced charge transfer from the conducting polymer to SWNT-COOH was analyzed by photoluminescence (PL) quenching. Photoelectrochemical characterization was performed under white light and the films containing SWNTCOOH displayed photocurrent values up to 7.5 mA cm. Photocurrent generation was enhanced and became more stable when an intermediate layer of poly(3,4- ethylenedioxythiophene)¿poly(4-styrenesulfonic acid) (PEDOT:PSS) was interposed between the ITO electrode and LbL films. 2-) LbL films based on the conducting polymer sodium poly[2-(3-thienyl)-ethoxy-4-butylsulfonate] (PTEBS) and fullerene derivative C60-F were fabricated. Photophysical characterization shows the occurrence of photoinduced charge transfer from PTEBS to C60-F, which was also demonstrated by photocurrent generation obtained when (PTEBS/C60-F) multilayer films were applied as electrodes of photoelectrochemical solar cells. All these results make the LbL films based on organic semiconductors promising canditates towards solar energy conversion. / Doutorado / Físico-Química / Doutor em Ciências

Made available in DSpace on 2017-07-20T12:40:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Karine Klider.pdf: 4696661 bytes, checksum: 1625309038e6d64e39214301b4f96f7b (MD5) Previous issue date: 2016-07-27 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In this study, we evaluated the optical and electrochemical properties of organic compounds of different types in order to analyze their potential for application active layer in photovoltaic devices. The work was divided into three parts. The first discloses the preparation and characterization of a derivative of 1,8-naphthalimide chromophore prepared from the reaction with a benzonitrile unit (also synthesized and characterized in this work). The BID-NB compound showed optical and electrochemical properties equivalent of the chromophore with optical and electrochemical band gap of 3.41 eV and 2.19 eV. Photovoltaic devices using bilayer architecture, constructed with the compound as the active layer, reached 0.9% of power conversion efficiency (PCE) and a current density at short circuit of 5.68 mA cm-2 by using the C70 fullerene as electron acceptor layer, and 1,8-diiodoocthane as additive in the solution for active layer deposition. The second part the work described the preparation of conjugated molecules (with electron donor acceptor characteristics) from the indigo dye modification by addiction of thiophene units. It was found that increasing number of thiophene units resulted in better opto-electrochemical properties. The molecule that showed the best behavior, DHT-IND, presented optical and electrochemical band gap of 1.64 and 1.45 eV respectively. Despite the low band gap value, the bulk heterojunction (BHJ) solar cell constructed with a 1: 3 mixture of DHT-IND and PC71BM as active layer, showed PCE of 0.7% and current density at short circuit of -4.59 mA cm-2. The fill factor (FF) was 26%. In the third part of this work we evaluated the photocurrent generation by the copolymer PPV/DCN-PPV formed by DCN-PPV chains attached to PPV chain. The evaluation performed as film deposited on a glass substrate containing ITO coated, which has exposed to a LED ilumination. After irradiation the copolymer generated current of A cm-2 (unstable), and -2 A cm-2 (stable). / Neste trabalho foram avaliadas as propriedades ópticas e eletroquímicas de deferentes compostos orgânicos, e analisar suas potencialidades para aplicação como camada ativa em dispositivos fotovoltaicos. Dividiu-se o trabalho em três partes. A primeira revelou a preparação e caracterização de um derivado do cromóforo 1,8-naftalimida, preparado a partir da reação com uma unidade de benzonitrila previamente preparada e caracterizada. O composto 4-(2-(1,3-dioxo-1H-benzo[de]isoquinolin-2(3H)-il)etoxi)-2,5-dimetilbenzonitrila, ou BID-NB, apresentou propriedades ópticas e eletroquímicas equivalentes às do cromóforo, com band gap óptico de 3,41 eV e eletroquímico de 2,19 eV. Dispositivos fotovoltaicos de bicamada foram construídos com o composto BID-NB como camada ativa, sendo que a eficiência máxima de conversão foi de 0,9% com uma densidade de corrente de curto circuito de -5,68 mA cm-2. O dispositivo que auferiu tais resultados foi construído com o fulereno elétron-aceptor C70, e com o auxilio do aditivo 1,8-diiodooctano na deposição da camada ativa. A segunda parte do trabalho consistiu da preparação de moléculas conjugadas do tipo doador/aceptor de elétrons, a partir da modificação do corante índigo com unidades de tiofenos. Constatou-se que o aumento da quantidade de unidades de tiofenos nas moléculas favoreceu suas propriedades opto-eletroquímicas. O composto 7,14-bis(3``,4`-diexil-[2,2`:5`,2``-tertiofen]-5-il)diindolo[3,2,1-de:3`,2`,1`-il][1,5]naftiridina-6,13-diona, ou DHT-IND, foi o que apresentou os menores valores de band gap óptico e eletroquímico, nos valores de 1,64 e 1,45 eV respectivamente. O dispositivo fotovoltaico de heterojunção, construído a partir da mistura 1:3 de DHT-IND e PC71BM como camada ativa, apresentou eficiência de conversão de 0,7% e densidade de corrente de -4,59 mA cm-2. Na terceira parte deste trabalho avaliou-se geração de fotocorrente em um copolímero formado por blocos de PPV ligados a blocos de DCN-PPV (PPV/DCN-PPV). A avaliação foi efetuada na forma de filme sobre um substrato de vidro contendo ITO, o qual foi exposto a iluminação de LED. O copolímero gerou corrente de até -4 A cm-2 (instável), e de -2 A cm-2 (estável) após iluminação.

O presente trabalho tem como objetivo contribuir para o conhecimento, entendimento e desenvolvimento das células solares sensibilizadas por corantes. Assim foram abordadas rotas sintéticas com o fim de obter novas espécies supramoleculares constituídos por fragmentos que apresentam separadamente ótimas propriedades eletrônicas e eletroquímicas. A abordagem sintética feita é muito importante dado que dá as bases para sistemas supramoleculares como o apresentado nas perspectivas, nos quais estase visando diminuir os processos de recombinação e melhor aproveitamento do espectro solar através da estabilização do corante foto-oxidado e da transferência vetorial de elétron/energia. Na série de complexos apresentada e aplicada no presente trabalho realizou-se um estudo comparativo buscando determinar qual é o melhor sistema de injeção de elétrons na banda de condução do TiO2, obtendo uma diferença considerável entre os sistemas estudados, sendo assim o sistema com o ligante acido 2,2 -bipiridine-4,4 -dicarboxilico o complexo que melhor injeta elétrons na BC. / The present work aims to contribute to the knowledge, understanding and development of solar cells sensitized by dyes. Thus, synthetic routes were approached in order to obtain new supramolecular species constituted by fragments that separately present excellent electronic and electrochemical properties. The synthetic approach is very important since it provides the basis for supramolecular systems such as that presented in the perspectives, in which stasis is aimed at decreasing the processes of recombination and better utilization of the solar spectrum through the stabilization of the photo-oxidized dye and the vectorial transfer of electron /energy. In the series of complexes presented and applied in the present work, a comparative study was carried out to determine which is the best electron injection system in the conduction band of TiO2, obtaining a considerable difference between the studied systems, being thus the complex with the ligand 2,2 -Bipyridine-4,4 -dicarboxylic acid the best system that injects electrons into BC.

Esta tese tem como objetivo contribuir para o conhecimento e desenvolvimento das células solares sensibilizadas por corantes, através da elaboração de novas espécies supramoleculares e de estudos fundamentais de caracterização do filme de TiO2-P25 e da interface TiO2-Corante pela técnica de microscopia Raman confocal. Os estudos de microcopia Raman confocal da distribuição das fases cristalinas rutilo e anatase em filmes de TiO2-P25 (Degussa) mostraram que a fase rutilo está presente em agregados de diferentes tamanhos (de 250 nm a 3 &#181;m) distribuídos na fase anatase e que estes agregados permaneceram mesmo após os processos de preparação da suspensão coloidal. Na presença do corante N3, verificou-se que a irradiação com laser em 532 nm, usando potência acima de 25 mW cm-2, provoca a absorção e posterior combustão do filme interfacial, com drásticas mudanças na morfologia visualizadas por microscopia Raman confocal, revelando a ocorrência da transformação de anatase em rutilo na região de incidência do feixe de laser. Outro ponto investigado nesta tese, foi a síntese e aplicação de novos sensibilizadores supramoleculares em células solares sensibilizadas por corante (DSC), visando diminuir os processos de recombinação e melhor aproveitamento do espectro solar através da estabilização do corante foto-oxidado e da transferência vetorial de elétron/energia. Além dos trabalhos com novas porfirinas supramoleculares, reproduzidas no apêndice, esta tese apresenta um estudo detalhado de uma série, formada por três espécies diméricas, constituídas pelas unidades [Ru(dcbH2)Cl]+ e [Ru(dmb)2Cl]+, unidas por ligantes ponte com dimensões lineares crescentes, isto é: bpy, bpe e bpeb (dcbH2= ácido-2,2\'-bipiridina-4,4\'-dicarboxílico, dmb= 4,4\'-dimetil-2,2\'- bipiridina, bpy= 4,4\'-bipiridina, bpe= trans-1,2-bis(4-piridil)-etileno e bpeb= trans-1,4- bis[2-(piridil)etenil]-benzeno). O rendimento global das DSCs correspondentes cresceram com o aumento do tamanho da ponte, passando de 2,78 % para o corante dim-Ru-bpy, para 2,89 e 3,25 % nos corantes dim-Ru-bpe e dim-Rbpeb, respectivamente. Foi observado que os valores de Jsc e &#951; têm correlação linear com a distância de separação do buraco e da superfície do eletrodo de TiO2, ratificando que o processo de retardação da recombinação de carga, causado pelo aumento da ponte, é um fator muito importante para esta classe de compostos. Os resultados de IPCE mostraram que a unidade [Ru(dmb)2Cl(P)]+ também é responsável pela fotoinjeção de elétrons no TiO2. Assim, a excitação de qualquer uma das unidades, sempre acaba formando a espécie TiO2(e-)-Ru-Ru(h+) no filme interfacial. Os resultados confirmam as expectativas esperadas no planejamento energético vetorial, no qual o HOMO foi centrado na unidade distante da superfície e o LUMO ficou sobre a dcbH2 diretamente ancorada no superfície do TiO2. / This thesis encompasses our efforts to improve the knowledge and contribute to the development of dye-sensitized solar cells, by focusing on supramolecular design of new dyes and on critical aspects of the morphology of the TiO2-P25 and TiO2-Dye interfaces, as probed by confocal Raman microscopy. According to Raman imaging of the crystalline phase distribution of TiO2-P25 (Degussa) rutile was present as aggregates of different sizes (from 250 nm to 3 &#181;m) dispersed in the 25 nm anatase powder, persisting even after applying criterious procedures for generating uniform colloidal suspensions. In addition, the irradiation of TiO2-P25 films containing adsorbed N3 dye, using a 532 nm laser (power over to 25 mW cm-2) led to the absorption and instantaneous combustion of the dye, promoting drastic local changes associated with the anatase to rutile conversion. The design and application of new supramolecular sensitizers in DSC has also been pursued, aiming an improvement of efficiency by slowing down the electron-hole recombination process, while enhancing the light harvesting effects in the visible range by means of vectorial electron/energy transfer. Studies concerning another efficient supramolecular porphyrin dye, have also been performed and published (Appendix). As the main subject, a series of dimeric species have been reported. They were based on the [Ru(dcbH2)Cl]+ and [Ru(dmb)2Cl]+ units connected by linear bridging ligands of increasing lengths, such as: bpy, bpe and bpeb (dcbH2= 2,2\'-bipyridine-4,4\'-dicarboxylic acid, dmb= 4,4\'-dimethyl-2,2\'-bipyridine, bpy= 4,4\'-bipyridine, bpe= trans-1,2-bis(4- pyridyl)-ethylene e bpeb= trans-1,4-bis[2-(4-pyridyl)ethenyl]-benzene). The overall yield of the corresponding DSCs increased with the bridging ligand length, from 2.78 % for dim-Ru-bpy, to 2.89 % and 3.25 % for dim-Ru-bpe and dim-Ru-bpeb, respectively. The electrochemical parameters associated with the short circuit current exhibited a linear correlation with the hole separation distance between the TiO2 electrode and the binuclear dye terminal, confirming that the retardation of charge recombination through the increasing distance is indeed a relevant factor for this series of compounds. The IPCE results indicated that the [Ru(dmb)2Cl(P)]+ unit is also involved in electron transfer, such that the dye excitation always leads the TiO2(e-)-Ru-Ru(h+) species. This conclusion confirmed the success of the supramolecular design and vectorial transfer strategy, in which the HOMO center was placed far away from the surface, but in communication with the LUMO center located at the dcbH2 group anchored on TiO2.

Esta tese tem como objetivo contribuir para o conhecimento e desenvolvimento das células solares sensibilizadas por corantes, através da elaboração de novas espécies supramoleculares e de estudos fundamentais de caracterização do filme de TiO2-P25 e da interface TiO2-Corante pela técnica de microscopia Raman confocal. Os estudos de microcopia Raman confocal da distribuição das fases cristalinas rutilo e anatase em filmes de TiO2-P25 (Degussa) mostraram que a fase rutilo está presente em agregados de diferentes tamanhos (de 250 nm a 3 &#181;m) distribuídos na fase anatase e que estes agregados permaneceram mesmo após os processos de preparação da suspensão coloidal. Na presença do corante N3, verificou-se que a irradiação com laser em 532 nm, usando potência acima de 25 mW cm-2, provoca a absorção e posterior combustão do filme interfacial, com drásticas mudanças na morfologia visualizadas por microscopia Raman confocal, revelando a ocorrência da transformação de anatase em rutilo na região de incidência do feixe de laser. Outro ponto investigado nesta tese, foi a síntese e aplicação de novos sensibilizadores supramoleculares em células solares sensibilizadas por corante (DSC), visando diminuir os processos de recombinação e melhor aproveitamento do espectro solar através da estabilização do corante foto-oxidado e da transferência vetorial de elétron/energia. Além dos trabalhos com novas porfirinas supramoleculares, reproduzidas no apêndice, esta tese apresenta um estudo detalhado de uma série, formada por três espécies diméricas, constituídas pelas unidades [Ru(dcbH2)Cl]+ e [Ru(dmb)2Cl]+, unidas por ligantes ponte com dimensões lineares crescentes, isto é: bpy, bpe e bpeb (dcbH2= ácido-2,2\'-bipiridina-4,4\'-dicarboxílico, dmb= 4,4\'-dimetil-2,2\'- bipiridina, bpy= 4,4\'-bipiridina, bpe= trans-1,2-bis(4-piridil)-etileno e bpeb= trans-1,4- bis[2-(piridil)etenil]-benzeno). O rendimento global das DSCs correspondentes cresceram com o aumento do tamanho da ponte, passando de 2,78 % para o corante dim-Ru-bpy, para 2,89 e 3,25 % nos corantes dim-Ru-bpe e dim-Rbpeb, respectivamente. Foi observado que os valores de Jsc e &#951; têm correlação linear com a distância de separação do buraco e da superfície do eletrodo de TiO2, ratificando que o processo de retardação da recombinação de carga, causado pelo aumento da ponte, é um fator muito importante para esta classe de compostos. Os resultados de IPCE mostraram que a unidade [Ru(dmb)2Cl(P)]+ também é responsável pela fotoinjeção de elétrons no TiO2. Assim, a excitação de qualquer uma das unidades, sempre acaba formando a espécie TiO2(e-)-Ru-Ru(h+) no filme interfacial. Os resultados confirmam as expectativas esperadas no planejamento energético vetorial, no qual o HOMO foi centrado na unidade distante da superfície e o LUMO ficou sobre a dcbH2 diretamente ancorada no superfície do TiO2. / This thesis encompasses our efforts to improve the knowledge and contribute to the development of dye-sensitized solar cells, by focusing on supramolecular design of new dyes and on critical aspects of the morphology of the TiO2-P25 and TiO2-Dye interfaces, as probed by confocal Raman microscopy. According to Raman imaging of the crystalline phase distribution of TiO2-P25 (Degussa) rutile was present as aggregates of different sizes (from 250 nm to 3 &#181;m) dispersed in the 25 nm anatase powder, persisting even after applying criterious procedures for generating uniform colloidal suspensions. In addition, the irradiation of TiO2-P25 films containing adsorbed N3 dye, using a 532 nm laser (power over to 25 mW cm-2) led to the absorption and instantaneous combustion of the dye, promoting drastic local changes associated with the anatase to rutile conversion. The design and application of new supramolecular sensitizers in DSC has also been pursued, aiming an improvement of efficiency by slowing down the electron-hole recombination process, while enhancing the light harvesting effects in the visible range by means of vectorial electron/energy transfer. Studies concerning another efficient supramolecular porphyrin dye, have also been performed and published (Appendix). As the main subject, a series of dimeric species have been reported. They were based on the [Ru(dcbH2)Cl]+ and [Ru(dmb)2Cl]+ units connected by linear bridging ligands of increasing lengths, such as: bpy, bpe and bpeb (dcbH2= 2,2\'-bipyridine-4,4\'-dicarboxylic acid, dmb= 4,4\'-dimethyl-2,2\'-bipyridine, bpy= 4,4\'-bipyridine, bpe= trans-1,2-bis(4- pyridyl)-ethylene e bpeb= trans-1,4-bis[2-(4-pyridyl)ethenyl]-benzene). The overall yield of the corresponding DSCs increased with the bridging ligand length, from 2.78 % for dim-Ru-bpy, to 2.89 % and 3.25 % for dim-Ru-bpe and dim-Ru-bpeb, respectively. The electrochemical parameters associated with the short circuit current exhibited a linear correlation with the hole separation distance between the TiO2 electrode and the binuclear dye terminal, confirming that the retardation of charge recombination through the increasing distance is indeed a relevant factor for this series of compounds. The IPCE results indicated that the [Ru(dmb)2Cl(P)]+ unit is also involved in electron transfer, such that the dye excitation always leads the TiO2(e-)-Ru-Ru(h+) species. This conclusion confirmed the success of the supramolecular design and vectorial transfer strategy, in which the HOMO center was placed far away from the surface, but in communication with the LUMO center located at the dcbH2 group anchored on TiO2.

O presente trabalho tem como objetivo contribuir para o conhecimento, entendimento e desenvolvimento das células solares sensibilizadas por corantes. Assim foram abordadas rotas sintéticas com o fim de obter novas espécies supramoleculares constituídos por fragmentos que apresentam separadamente ótimas propriedades eletrônicas e eletroquímicas. A abordagem sintética feita é muito importante dado que dá as bases para sistemas supramoleculares como o apresentado nas perspectivas, nos quais estase visando diminuir os processos de recombinação e melhor aproveitamento do espectro solar através da estabilização do corante foto-oxidado e da transferência vetorial de elétron/energia. Na série de complexos apresentada e aplicada no presente trabalho realizou-se um estudo comparativo buscando determinar qual é o melhor sistema de injeção de elétrons na banda de condução do TiO2, obtendo uma diferença considerável entre os sistemas estudados, sendo assim o sistema com o ligante acido 2,2 -bipiridine-4,4 -dicarboxilico o complexo que melhor injeta elétrons na BC. / The present work aims to contribute to the knowledge, understanding and development of solar cells sensitized by dyes. Thus, synthetic routes were approached in order to obtain new supramolecular species constituted by fragments that separately present excellent electronic and electrochemical properties. The synthetic approach is very important since it provides the basis for supramolecular systems such as that presented in the perspectives, in which stasis is aimed at decreasing the processes of recombination and better utilization of the solar spectrum through the stabilization of the photo-oxidized dye and the vectorial transfer of electron /energy. In the series of complexes presented and applied in the present work, a comparative study was carried out to determine which is the best electron injection system in the conduction band of TiO2, obtaining a considerable difference between the studied systems, being thus the complex with the ligand 2,2 -Bipyridine-4,4 -dicarboxylic acid the best system that injects electrons into BC.