Made available in DSpace on 2013-08-07T18:54:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 000445280-Texto+Completo-0.pdf: 9550362 bytes, checksum: 89bd2eb9be946101305ba1c7cc3020ee (MD5) Previous issue date: 2012 / The main goal of the solar cell industry is to obtain high efficiency and low production cost. One line of action is to increase the efficiency of industrial solar cell. The goal of this dissertation is to develop n+pn+ solar cells in p-type Si-Cz wafer, solar grade, with metallization by screen printing and to evaluate the influence of the n+ emitter and PV159 and PV16A silver pastes on cell efficiency. Parameters such as time, temperature of phosphorus diffusion, annealing, metal paste firing and antireflection coating thickness were optimized experimentally. We also evaluated the influence of the shadow factor metal grid, and the POCl3 concentration during P diffusion. For the metallization with the PV159 paste, it was concluded that the diffusion temperature (TD) of 875 °C and sheet resistance (R□) de 59 Ω/□ results in better efficiency of 13. 7 %. With the increase in TD to 900 °C it was found that all electrical parameters tend to decrease with increasing of R□ and the better efficiency obtained was 13. 4 %.It was verified that the annealing after the phosphorus diffusion hardly affects the efficiency of solar cells, however, slightly increases the junction depth. The belt speed and the temperature of the PV159 paste firing process resulting in higher efficiency and fill factor (FF) were 240 cm/min and 840 °C, respectively. It was shown that the reduction of the shadow factor from 9. 4 % to 8. 2 %, increased the JSC without decreasing the FF. With the PV16A paste, the TD of 875 °C results in efficiency of 13. 7 %, due to the elevated FF. However, with the reduction of TD to 850 °C, the FF is reduced due to the increase of R□. With the introduction of annealing step, the JSC decreased, but the FF increased, raising the efficiency from 10. 8 % to 13. 2 %. The use of POCl3 concentration of 0. 1 % without reducing O2 and N2 flows resulted in better efficiency for cells with PV16A paste, achieving 13. 9 %. Jointly with the increase of FF, the R□ decreased, limiting the JSC. The reduction of the gas flows led to lower values of JSC, due to the increase of "dead zone" thickness. For both pastes, the FF decreased with the increase of R□. / O principal objetivo da indústria de células solares é obter alta eficiência e baixo custo de produção. Uma das linhas de atuação é o aumento da eficiência de células solares industriais. O objetivo desta dissertação é desenvolver células solares n+pn+ em lâminas de Si-Cz do tipo p, grau solar, com metalização por serigrafia e avaliar a influência do emissor n+ e das pastas de prata PV159 e PV16A. Parâmetros como tempo, temperatura da difusão de fósforo, recozimento, processo de queima das pastas metálicas e espessura do filme antirreflexo foram otimizados experimentalmente. Também foi avaliada a influência do fator de sombra relativo à malha metálica, da concentração de POCl3 durante a difusão de fósforo. Para a metalização com a pasta PV159, concluiu-se que a temperatura de difusão (TD) de 875 °C e resistência de folha (R□) de 59 Ω/□ resultam na melhor eficiência de 13,7 %. Com o aumento da TD para 900 °C verificou-se que todos os parâmetros elétricos tendem a diminuir com o aumento da R□, e a melhor eficiência obtida foi de 13,4 %. Verificou-se que o recozimento após a difusão de fósforo praticamente não afeta a eficiência das células solares, porém, aumenta levemente a profundidade da junção.A velocidade de esteira e a temperatura de queima para a pasta PV159 que resultaram em maior eficiência e maior fator de forma (FF) foram, 240 cm/min e 840 °C, respectivamente. Comprovou-se que a diminuição do fator de sombra de 9,4 % para 8,2 %, aumentou a JSC sem reduzir o FF. Com a pasta PV16A, a TD de 875 °C resultou na eficiência de 13,7 %, devido ao elevado FF. No entanto, com a redução da TD para 850 °C, o FF sofre redução, devido ao aumento da R□. Com a introdução da etapa de recozimento, a JSC diminuiu, porém o FF aumentou, elevando a eficiência de 10,8 % para 13,2 %. A concentração de POCl3 de 0,1 % sem redução da vazão de O2 e N2 resultou na melhor eficiência para células com a pasta PV16A, de 13,9 %. Juntamente com o aumento do FF, a R□ diminuiu, limitando a JSC. A redução do fluxo dos gases levou a valores menores de JSC, devido ao aumento da espessura da “zona morta”. Para ambas as pastas, o FF reduziu-se com o aumento da R□.

Made available in DSpace on 2013-08-07T18:54:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 000430141-Texto+Completo-0.pdf: 18949204 bytes, checksum: f61cc5ef0611744de4cd8b7f58b9f3d1 (MD5) Previous issue date: 2011 / Photovoltaic solar energy is the direct convertion of solar energy into electricity and it has low impact to the environment during electric energy production. The main device of this technology is the solar cell and silicon is the substrate most used. The solar cells are electrically connected and encapsulated in order to form the photovoltaic module. The aims of this thesis are to optimize, develop and to analyse n+np+ solar cells processed in n type Si-PV-FZ and with aluminum rear emitter formed in belt furnace. The optimization of solar cells by simulation is an important step before the device development. The software PC-1D and another program developed using Visual Basic language were used. Considering a metal grid formed by evaporation technique in vaccum ambient an efficiency of 16. 8 % may be achieved. With screen printed grid, 15. 8 % efficient solar cells were obtained. From the simulation results it was found that the screen printing metallization may become more viable than evaporation technique because there is low difference in the efficiency and the screen printing is a simpler technique. The experimental optimization of silicon wafers texture process resulted in reflectance of 12 %. This value is tipical for monocrystalline silicon with textured surface. Experimental optimization of phosphorus front surface field shows a sheet resistance of (36 ± 4) `/ı for this region. This region was formed in a thermal step in a conventional furnace with POCl3. It was found that after the phosphorus diffusion occurred gettering to specific temperature and time. It was verified that the minority carrier lifetime in the final of processing is similar to the initial value. The influence of steps sequence of front silver paste firing and rear diffusion/firing aluminium paste, of surface passivation and the influence of dry air flow during the aluminium paste diffusion/firing, of aluminium paste diffusion/firing temperature and of belt speed under the fabricated devices electric characteristics were analysed. The aluminum rear emitter n+np+ silicon solar cells resulted in efficiencie up to 9,5 %. The best solar cells were processed under 900 °C to aluminium paste diffusion/firing and belt speed of 140 cm/min. The efficiency is limited by low values of VOC and FF reached. It was also verified that the local rear emitter formation results in solar cells with higher efficiency than those with homogeneous emitter. / A produção de energia elétrica diretamente a partir da conversão da energia solar, denominada de energia solar fotovoltaica, ganha destaque pelo baixo impacto ambiental. O principal dispositivo desta tecnologia é a célula solar, sendo o material mais utilizado o silício. As células solares são associadas eletricamente e encapsuladas com a finalidade de formar o módulo fotovoltaico. Os objetivos desta tese estão centrados na otimização, no desenvolvimento e na análise de células solares n+np+ em Si-FV-FZ, tipo n, com emissor posterior p+ formado pela difusão de pasta de alumínio em forno de esteira. A otimização por simulação de uma célula solar é uma etapa importante que precede o desenvolvimento do dispositivo. Nesta etapa, além de utilizar o programa computacional PC-1D foi criado um programa na linguagem Visual Basic, denominado MonoCel. Para a simulação de células solares com malha de metalização formada por evaporação em alto vácuo obteve-se a eficiência de 16,8 %, valor 1 % absoluto maior que para o caso da malha de metalização ser formada por serigrafia, que foi de 15,8 %. A partir dos resultados das simulações, constatou-se que o processo para fabricação de células solares com metalização por serigrafia pode ser mais viável que a evaporação em alto vácuo, pois a diferença na eficiência não é elevada e a técnica é relativamente mais simples. A otimização experimental do processo de texturação das lâminas de silício resultou na refletância de 12 %, valor típico para uma superfície formada por micropirâmides em silício monocristalino. Com a otimização experimental da região de campo retrodifusor frontal de fósforo, foi obtido um valor de resistência de folha de (36 ± 4) Ω/□ a partir da difusão de fósforo com POCl3 em forno convencional. Constatou-se que após a difusão de fósforo, ocorreu gettering para temperatura e tempos específicos. Também se verificou que o tempo de vida dos portadores minoritários ao final do processamento das células solares é ligeiramente maior que o valor inicial. Foi analisada a influência da ordem dos passos de queima da pasta de metalização na face frontal e de difusão/queima da pasta de alumínio, da passivação 27 da superfície, do fluxo de ar seco no passo de difusão/queima da pasta de alumínio, da temperatura de difusão/queima da pasta de alumínio e da velocidade da esteira nas características elétricas dos dispositivos fabricados. Com o processo de fabricação de células solares com estrutura n+np+ com emissor posterior localizado de alumínio foram obtidas células solares com eficiência próxima a 9,5 %. As melhores células solares foram processadas na temperatura de difusão/queima da pasta de alumínio de 900 °C e velocidade da esteira de 140 cm/min. A eficiência está limitada pelos baixos valores de VOC e FF alcançados. Também se verificou que a formação do emissor posterior localizado resulta em células solares com maior eficiência que o emissor homogêneo.

Made available in DSpace on 2013-08-07T18:54:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 000438708-Texto+Completo-0.pdf: 1265102 bytes, checksum: 1d86058013f27ca81544706e2f78b901 (MD5) Previous issue date: 2012 / The aim of this thesis was to develop and compare methods for the formation of the back surface field and emitter with boron using n-type and p-type solar-grade Si-Cz wafers as well as analyze and optimize a manufacturing process of solar cells with structure n+pp+ and back surface field formed by boron. The highly doped p+ region was formed by spin-on deposition of the liquid dopants PBF15 and PBF20 and diffusion in standard quartz tube furnace. It was found that with diffusion at 900 °C, it is possible to obtain the suitable sheet resistance to form the emitter. However, to form the back surface field, the boron diffusion should be implemented at 1000 °C. For both temperatures, the sheet resistance obtained in n-type substrate is higher than that measured in p-type wafers, independent of diffusion time. Boron diffusion, in general, increases the minority carrier lifetime (τ) in p-type wafers and it decreases in n-type substrates. However, the average value after the boron diffusion is high in n-type samples, because the initial value of τ in this type of substrate is approximately 150 % higher than in p-type wafers. The results are similar for both dopants evaluated and they are slightly better for the dopant PBF20. The best bulk minority carrier lifetime after the boron diffusion occurred to the temperature of 1000 °C and diffusion time of 20 minutes for both types of substrates. In the optimization of the fabrication process, it was found that the type of gas at the entrance of the wafers in the quartz tube to phosphorus diffusion slightly influences the efficiency of solar cells and the best results were found for the oxidation times of 30 minutes and 40 minutes. The firing temperature of the metallization pastes of 830 °C gave the highest efficiency of 13,7 % for the belt speed of 200 cm/min, due to the increased fill factor. The better efficiency was obtained to phosphorus diffusion temperature of 920 °C. The efficiency obtained with the dopant PBF25 is slightly higher than that obtained with dopant PBF20 due to the small difference in fill factor and short-circuit current density. The greater efficiency of 14. 1% was obtained with this dopant. The reduction in the percentage area of the metal grid on the back side of 52. 5 % to 9. 4 %, slightly affects the performance of solar cells. With the increase of the solar cell area from 4 cm2 to 61. 58 cm2, the efficiency decreased from 14. 2 % to 13. 0 % due to the reduction of the short-circuit current density. Solar cells with back surface field formed by aluminum efficiency reached 15. 4 % and devices presented higher shortcircuit current density. The developed cells with back surface field formed by boron diffusion presented higher open circuit voltage, thus demonstrating that cells with p+ back surface field formed with boron was more effective. / O objetivo desta tese foi desenvolver e comparar processos para a formação do campo retrodifusor e do emissor com boro em substratos de silício Czochralski (Si-Cz) tipo n e tipo p grau solar, bem como otimizar e analisar um processo de fabricação de células solares com estrutura n+pp+ e campo retrodifusor formado por boro. A região altamente dopada p+ foi formada pela deposição por spin-on dos dopantes líquidos PBF15 e PBF20 e posterior difusão em forno convencional. Verificou-se que com difusão a 900 °C foi possível obter a resistência de folha adequada para formar o emissor. Porém, para formar o campo retrodifusor a difusão deveria ser implementada a 1000 °C. Para as duas temperaturas avaliadas, a resistência de folha em substratos tipo n foi maior que em substratos tipo p, independente do tempo de difusão. Constatou-se que a difusão de boro, em geral, aumenta o tempo de vida dos portadores minoritários (τ) na base em amostras tipo p e diminui em substratos tipo n. Porém, como o valor do τ inicial é aproximadamente 150 % maior em amostras do tipo n que em tipo p, o valor médio após a difusão de boro é maior neste tipo de substrato. Os resultados são similares para os dois dopantes avaliados, sendo ligeiramente melhores para o dopante PBF20. O melhor valor de τ na base após a difusão de boro ocorreu para a temperatura de 1000 °C e tempo de difusão de 20 minutos, para os dois tipos de substratos. Na otimização do processo de fabricação, verificou-se que o tipo de gás na entrada das lâminas no tubo de quartzo para a difusão de fósforo influencia muito pouco na eficiência das células solares e que os melhores resultados foram encontrados para os tempos de oxidação de 30 minutos e 40 minutos. Para a temperatura de queima das pastas de metalização de 830 °C obteve-se a maior eficiência de 13,7 % para a velocidade de esteira de 200 cm/min, devido ao aumento no fator de forma. Constatou-se que a melhor eficiência foi obtida para a temperatura de difusão de fósforo de 920 °C. A eficiência obtida com o dopante PBF25 é um pouco maior que a obtida com dopante PBF20 devido à pequena diferença no fator de forma e na densidade de corrente de curto-circuito. A maior eficiência, de 14,1 % foi obtida com este dopante. A redução do percentual da área da malha de metalização na face posterior de 52,5 % para 9,4 %, praticamente não afeta o desempenho das células solares. Com o aumento da área das células solares de 4 cm2 para 61,58 cm2, a eficiência diminuiu de 14,2 % para 13,0 % devido ao decréscimo da densidade de corrente de curto-circuito. Células solares com campo retrodifusor de alumínio atingiram a eficiência de 15,4 % e apresentaram maior densidade de corrente de curto-circuito. As células desenvolvidas com campo retrodifusor de boro apresentaram tensão de circuito aberto maior, demonstrando que o campo retrodifusor nas células com região p+ formada com boro foi mais eficaz.

Made available in DSpace on 2013-08-07T18:54:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 000407094-Texto+Completo-0.pdf: 2537836 bytes, checksum: f586d6566f591ca83834bce9d1c5232b (MD5) Previous issue date: 2008 / The aim of this work was to manufacture and to characterize prototypes of flat static concentrator modules, called MEC-P. This concentrator consists of strings of bifacial cells and a white reflecting plane. Then the reflected radiation can reach the rear face of the bifacial cells. Two prototypes had been manufactured: prototype A, with 615 mm x 315 mm x 60 mm, and prototype B, with 615 mm x 365 x mm x 60 mm, considering length, width and height. These dimensions are based on previous work of optimization of the MEC-P, and the difference between prototype A and prototype B is the distance between the most external string and the edge of the module. Commercial white paints had been tested on the reflecting plane. The best result is achieved with the paint named Hammerite®, with averaged reflectance above 90 % for wavelengths from 400 nm to 1050 nm. The selected paint was aged in external conditions and in an ultraviolet radiation accelerated aging chamber. It was observed a reflectance degradation from its original value after exposure to ultraviolet radiation. Nevertheless, when the sample painted was exposured to UV radiations under a glass plate laminated with ethylene vinyl acetate (EVA), the reflectance of the samples remained the same. The prototypes had been installed in Porto Alegre, 48º tilted to the horizontal, with the strings toward east-west or north-south. To characterize the prototypes, solar cells had been installed to measure the incident irradiance in six regions oh the prototypes and to evaluate the operating temperature. Taking into account the optical concentration (COP) for the worst irradiance on the rear face of the bifacial cell, we observed that the prototype B with strings toward the north-south shows the larger COP and mainly, constant during the period with higher irradiance for cloudless days. MEC-P prototypes presented operating temperatures from 15 ºC to 26 ºC above the ambient temperature, similar to the temperature in conventional modules. / O objetivo deste trabalho foi fabricar e caracterizar protótipos do módulo concentrador estático plano, denominado de MEC-P. Este concentrador é constituído de tiras de células solares bifaciais e um plano refletor difuso branco. A radiação refletida pelo sistema óptico alcança a face posterior das células bifaciais, resultando em uma concentração óptica da ordem de 1,5. Dois protótipos foram fabricados: o protótipo A, com dimensões de 615 mm x 315 mm x 60 mm, e o protótipo B, com 615 mm x 365 mm x 60 mm. As dimensões usadas estão baseadas em trabalhos anteriores de otimização do MEC-P, sendo que a diferença entre o protótipo A e o protótipo B é a distância entre a tira mais externa e a borda do módulo. Tintas brancas comerciais foram testadas para serem utilizadas no plano refletor e encontrou-se a tinta Hammerite®, com refletância média acima de 90 % na faixa de comprimentos de onda de 400 nm a 1050 nm. A tinta selecionada foi envelhecida em condições externas e em câmara de envelhecimento acelerado por radiação ultravioleta. Observou-se que a tinta sofreu degradação de sua refletância após o teste com radiação ultravioleta, mas quando colocada sob uma chapa de vidro laminada com acetato de vinila, a refletância das amostras não se alterou. Os protótipos foram instalados em Porto Alegre, com ângulo de inclinação em relação a horizontal de 48º e com as tiras orientadas no eixo leste-oeste ou nortesul. Para caracterizar os protótipos, células solares foram instaladas para medição da irradiância incidente em seis regiões dos mesmos e para avaliação da temperatura de operação. Considerando como parâmetro de comparação a concentração óptica (COP) para a pior condição de irradiância na face posterior das células bifaciais, observou-se que o protótipo B com as tiras orientadas no eixo norte-sul apresentou a maior COP e, principalmente, constante durante o período de maior irradiância em dias sem nuvens. Os protótipos do MEC-P apresentaram temperaturas de operação de 15 ºC a 26 ºC acima da temperatura ambiente, similar a encontrada em módulos convencionais.

Orientador : Alaide Pellegrini Mammana / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Campinas / Made available in DSpace on 2018-07-15T09:12:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Santos_PauloVentura_M.pdf: 4119197 bytes, checksum: 48cda145caac6efc4ef22925b72258ad (MD5) Previous issue date: 1982 / Resumo: Investigamos, neste trabalho, os filmes finos transparetes e condutores de dióxido de estanho (sn02),formados pela oxidação de vapores ricos em 'tetrac10reto de estanho sobre a superfície aquecida (300°C a 450°C) de substratos de vidro e quartzo; e as heterojunções fotovoltáicas obtidas pela deposição destes filmes sobre substratos monocrista1inos de silício. Estudamos a resistividade, a transmitância óptica e o índice de refração dos filmes em função da temperatura dos substratos durante a deposição e da concentração de antimônio introduzida como dopante, com o objetivo de diminuir a resistividade. Tais investigações permitiram determinar as condições de deposição para obtenção de filmes com baixa resistividade e alta transmitância óptica, para o emprego em heterojunções. As heterojunções de Sn02/Si foram construídas sobre silício tipos n e p, com diferentes resistividades. Mediram-se as características I x V com e sem ilumina ção, as características 10g I x V em função da temperatura e as características C x V para diferentes frequências do sinal de medida. As melhores células solares foram do tipo Sn02/Si-n, que apresentaram sob condiçoes AMl densidade de corrente de curto-circuito em torno de 30 ma/cm2, tensão de circuito aberto superior a 400 mV, eficiência de 6% e boa resposta espectral, especialmente para comprimentos de onda curtos. O princípal mecanismo de condução de corrente direta identificado nestas heterojunções foram os processos de recombinação e tunelamento em múltiplas etapas, através de estados na banda proibida do silício. Em altas correntes diretas surgem efeitos de resistência série, que atribuimos à presença de camadas isolantes de óxido,de silício na interface sno2/Si. Nas heterojunções de sn02/Si-p, por outro lado, observamos forte supressão de fotocorrente e nelas a eficiência sob condições AMl é inferior a 0,1%. O comportamento da corrente com a temperatura nestas heterojunções é semelhante ao observado em dispositivos meta1-iso1ante-semicondutor com alta densidade de estados de interface / Abstract: Not informed / Mestrado / Mestre em Engenharia Elétrica

Submitted by Fernanda Rodrigues de Lima (fernanda.rlima@ufpe.br) on 2018-10-08T21:28:27Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) DISSERTAÇÃO Macário Granja Gonçalves.pdf: 12281899 bytes, checksum: d3655d47934222f30676882c61c7544a (MD5) / Approved for entry into archive by Alice Araujo (alice.caraujo@ufpe.br) on 2018-11-22T17:28:36Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) DISSERTAÇÃO Macário Granja Gonçalves.pdf: 12281899 bytes, checksum: d3655d47934222f30676882c61c7544a (MD5) / Made available in DSpace on 2018-11-22T17:28:36Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) DISSERTAÇÃO Macário Granja Gonçalves.pdf: 12281899 bytes, checksum: d3655d47934222f30676882c61c7544a (MD5) Previous issue date: 2015-03-19 / CNPq / A utilização de semicondutores orgânicos como materiais ativos em dispositivos optoeletrônicos é uma área de intensa pesquisa e inovação nos dias de hoje. Células solares baseadas em blendas de polímeros condutores ganharam muita atenção devido a suas características mecânicas e bom rendimento, ao que se combina um baixo custo de fabricação. Neste trabalho, investigamos a influência de aspectos óticos e estruturais dos materiais utilizados sobre o transporte eletrônico em dispositivos fotovoltaicos moleculares à base de polihexiltiofeno (P3HT) e 5-(2-etil-hehilóxi)-1,4-fenileno vinileno (MEHPPV) associados com fulerenos funcionalizados (PCBO), e de nanopartículas de ouro recobertas com polianilina (PANI-AuNPs). Os filmes de P3HT e MEH:PPV foram depositados a partir das soluções coloidais por meio da técnica de spin-coating, sendo cada um dos polímeros solubilizado em clorobenzeno. Através de medidas de corrente-tensão realizadas sob luz "solar simulada", e tendo a temperatura, a tensão aplicada e a área ativa dos dispositivos como parâmetros de controle, estimamos a eficiência de conversão de energia. Vale ressaltar que normalmente as técnicas convencionais utilizadas para medir mobilidade elétrica se utilizam de arranjos elétricos e ópticos acoplados, como é o caso das medidas de Tempo de Voo (TOF). Neste trabalho, como método alternativo, nos baseamos em medidas de espectroscopia de impedância elétrica na ausência de luz e com varredura na frequência para estimar a mobilidade dos portadores de carga negativos no interior dos dispositivos. Além disso, avaliamos o efeito de fatores da preparação (velocidade de rotação, temperatura de annealing e concentração de PANI-AuNPs) dos diferentes dispositivos fotovoltaicos sobre a eficiência e a mobilidade eletrônica, de modo a estabelecer a dinâmica de condução nas diferentes células solares orgânicas nanoestruturadas investigadas. / The use of organic semiconductors as active materials in optoelectronic devices is nowadays an area of intense research and innovation. Solar cells based on blends of conductive polymers have deserved a lot of attention due to their mechanical characteristics and good efficiency, which could be attained with low manufacturing costs. In this study, we investigated the influence of optical and structural aspects of the material used for the electron transport in molecular-based photovoltaic devices polihe-xiltiofeno (P3HT) and 5-(2-ethylhehiloxi)-1,4-phenylene vinylene (MEH-PPV) associated with functionalized fullerenes (PCBO) and gold nanoparticles coated with polyaniline (PANI-AuNPs). The P3HT films and MEH:PPV were deposited from colloidal solutions through the spin-coating technique, where in each case the corresponding polymer was previously solubilized in chlorobenzene. Through current-voltage measurements performed under "simulated sunlight", and taking the temperature, the applied voltage and the active area of the devices as control parameters, we were able to estimate the corresponding energy conversion efficiency. It is noteworthy that usually the conventional techniques used to measure electric mobility involve the use of coupled electrical and optical arrangements, such as is the case of the flight time (TOF) method. In this work, based on electrical impedance spectroscopic methods, in the absence of both incident light and scanning frequency, we were able to estimate the mobility of negative charge carriers within the device. Furthermore, we evaluated the effect of the preparation factors (rotation speed, temperature and annealing concentration of PANI-AuNPs) of different photovoltaic devices on the efficiency and electron mobility in order to establish different driving dynamics in organic solar cells nanostructured investigated.

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / The electronic properties of push-pull substituted, zinc(II) (ZnPc), aluminum(III) (AlPc), and ruthenium(II) (RuPc), metal-phthalocyanine derivatives, presenting two electron donating groups (diethylamine) and two electron withdrawing groups (carboxylic) was studied using the Density Functional Theory (DFT) with B3LYP exchange-correlation functional in the vacuum and under the presence of solvent (DMSO), aiming their application in dye-sensitized solar cells (DSSC). For the excited states, the time-dependent approach of DFT (TD-DFT) was applied. In the transition for the excited state it was evidenced a charge transfer from donor to acceptor groups which results in large electronic rearrangement inducing the bathochromism when adding DMSO (a polar solvent). This electronic transfer is directed to the acceptor groups (benzoic groups), mainly in RuPc molecule, which enables bigger probability in the electronic injection into the semiconductor s conduction band. HOMO s energy to the ZnPc and AlPc are sufficiently below the redox potential of the electrolyte and LUMO s energy, in all compounds, is above the conduction band of the oxide. Those push-pull molecules present panchromism, important for the application of these compounds in DSSC since they can absorb photons in a large range of energies. NBO analysis suggests that the ruthenium presents strong coordination with the nitrogen atoms of the macrocycle, which allows a larger participation of this metal in the electronic transition. The ionization energy and electron affinity were calculated aiming to quantify the energetic barrier in the electron gain / loss. / As propriedades eletrônicas de derivados de ftalocianinas metaladas push-pull de zinco(II) (FtZn), alumínio(III) (FtAl) e rutênio(II) (FtRu) apresentando dois grupos doadores de elétrons (N,N-dietilanilina) e dois grupos retiradores de elétrons (ácido benzóico), foram estudadas usando a teoria do funcional de densidade (DFT) com o funcional híbrido B3LYP na presença do solvente (DMSO) e no vácuo, visando sua aplicação em células solares sensibilizadas por corante (CSSC). Para a descrição dos estados excitados usou-se a extensão dependente do tempo da DFT (TD-DFT). Na transição para o estado excitado destes compostos há uma transferência de carga dos grupos doadores para os grupos aceptores, que resulta em rearranjo eletrônico induzindo o efeito batocrômico observado com a adição de DMSO. Essa transferência eletrônica está direcionada para o grupo aceptor (grupo benzóico), principalmente na FtRu, que possibilita uma maior probabilidade na injeção eletrônica na banda de condução do semicondutor. A energia do HOMO para a FtZn e FtAl estão suficientemente abaixo do potencial redox do eletrólito e o LUMO, em todos os compostos, está acima da banda de condução do TiO2. Essas moléculas push-pull apresentam pancromismo, importante para a aplicação destes compostos em CSSC uma vez que podem absorver fótons de diferentes energias. Análises NBO sugerem que o rutênio apresenta forte coordenação com os nitrogênios do macrociclo que possibilita grande participação deste metal nestas transições eletrônicas. As energias de ionização e eletroafinidades foram calculadas com o objetivo de quantificar a barreira energética no ganho/perda de um elétron. / Mestre em Química

A crescente demanda energética mundial vem estimulando pesquisas em novas fontes de energia limpa e renovável e de baixo custo. Nesse contexto, as células solares orgânicas (fotovoltaicos orgânicos – OPVs) destacam-se como uma alternativa promissora no campo dos fotovoltaicos. Por serem fabricadas a partir de soluções eletrônicas, sua fabricação se dá deposição sobre substratos rígidos ou flexíveis, e com isso, também por técnicas de impressão. Muitas moléculas poliméricas têm mostrados excelentes resultados, porém o desempenho das células dependem também da morfologia do filme ultrafino da camada ativa, a qual depende do processamento e sobretudo da atividade dos solventes orgânicos. Até o momento, a maioria dos solventes usados para a fabricação das OPVs de alto desempenho é da classe dos halogenados, como por exemplo, o clorobenzeno e o 1,2-diclorobenzeno. Esses solventes, além de exibirem alto custo de produção, apresentam toxicidade relativamente alta, com impactos adversos à saúde humana e ao meio ambiente. Visto que a tecnologia dos OPVs está próxima de sua comercialização, a procura por solventes alternativos de baixa toxicidade coloca-se como um desafio a essa área. Neste trabalho, identificou-se por meio dos parâmetros de solubilidade de Hansen, um solvente da classe dos não halogenados e não aromáticos com baixa toxicidade ao ser humano e ambientalmente amigável para ser aplicado como solvente de processamento de células solares orgânicas do tipo heterojunção de volume (BHJ). Para isso, os possíveis solventes foram avaliados segundo os parâmetros de solubilidade de Hansen para os polímeros, P3HT e PTB7-Th, e para as moléculas PC61BM e PC71BM, levando em consideração os critérios de riscos com base na ficha de segurança de produtos químicos. Desse modo, a ciclohexanona foi selecionada por conter as características desejadas para o estudo proposto no presente trabalho. As soluções de P3HT e de PTB7- Th em ciclohexanona foram avaliadas quanto à influência da temperatura das soluções na conformação dos polímeros, a partir da técnica de termocromismo. Os resultados revelam necessidade de aquecimento para que haja uma conformação menos agregada tanto do P3HT quanto do PTB7-Th em solução de ciclohexanona. Os filmes de P3HT:PC61BM e PTB7-Th:PC71BM foram depositados pela técnica de spin-coating sobre substratos de vidro e estudos sobre sua morfologia foram realizados por técnicas de imagens de microscopia óptica, AFM e medidas de absorção pela técnica UV-vis, e correlacionadas ao desempenho das células fabricadas. Os resultados obtidos foram promissores uma vez que nesse trabalho conseguimos células de até 5,5 % de eficiência. / The growing global demand for energy has been stimulating research into new sources of clean and renewable energy and low cost. In this context, organic solar cells (organic photovoltaic - OPVs) stand out as a promising alternative in the field of photovoltaics. Because they are manufactured from electronic solutions, it can be deposited on rigid or flexible substrates, facilitating their production by printing techniques. Many polymer molecules have shown excellent results, but the performance of the cells also depends on the morphology of the ultrathin film of the active layer, which depends on the processing and above all the activity of the organic solvents. To date, most of the solvents used in the manufacture of high-performance OPVs belong to the halogen class, for example chlorobenzene and 1,2-dichlorobenzene. These solvents, in addition to exhibiting high cost of production, have relatively high toxicity, with adverse impacts on human health and the environment. Since the technology of OPVs is close to commercialization, the search for low-toxicity alternative solvents poses a challenge in this area. In this work, Hansen\'s solubility parameters were used to identify solvents of non-halogenated and non-aromatic class with low toxicity to humans and environmentally friendly, as substitutes of traditional solvents used to process organic solar cells (BHJ). For this, several solvents were evaluated according to the Hansen solubility parameters for the polymers, P3HT and PTB7-Th, and for the molecules PC61BM and PC71BM, taking into account the risk criteria based on the chemical safety data sheet. The solutions of P3HT and PTB7-Th in cyclohexanone were evaluated taking into account the influence of the temperature of the solutions on the conformation of the polymers, using the thermochromic technique. The solutions of P3HT and PTB7-Th in cyclohexanone were evaluated taking into account the influence of the temperature of the solutions on the conformation of the polymers, using the thermochromic technique. The resulted morphology was then correlated with the devices performance. The results obtained were promising since in this work we obtained cells of up to 5.5% efficiency.

Com o objetivo de melhorar a eficiência as células solares de silício do tipo n+pp+, foi desenvolvido um modelo de otimização teórica visando dar subsídios para otimizar convenientemente as diversas etapas envolvidas no processo de fabricação destes dispositivos. Para levar a cabo o estudo teórico foi desenvolvido um programa considerando as características das três regiões que compõe a célula solar n+, base p e emissor posterior p+. O emissor frontal e a base foram analisados através de modelos teóricos com soluções analíticas, enquanto que a região posterior foi analisada através da teoria clássica. Foram otimizados dois tipos de emissores: homogêneos e duplamente difundidos, utilizando parâmetros internos atualizados. Através dos resultados teóricos obtidos, verificou-se o excelente comportamento dos emissores homogêneos, pouco dopados, profundos e passivados. Melhores resultados teóricos foram obtidos com emissores duplamente difundidos, ou seja, compostos por diferentes níveis de concentrações de dopantes nas regiões passivadas e metalizadas. Entretanto, através da comparação entre emissores homogêneos e os duplamente difundidos, verificou-se uma predominância dos homogêneos para aplicações industriais. Assim sendo, a comparação foi seguida de uma análise da dependência dos emissores homogêneos com o fator de sombreamento metálico (Fm). Uma vez realizadas as otimizações teóricas, passou-se ao desenvolvimento tecnológico de células solares com emissores duplamente difundidos e passivados. Visando incrementar o rendimento das células solares, diversas etapas do processo de fabricação foram implementadas e/ou melhoradas, tais como, o uso de aditivos clorados (C33), na limpeza dos fornos e no crescimento da camada passivadora e anti-refletora do dióxido de silício, a texturização química e a pré-deposição de fósforo em tubo aberto. O sistema anti-refletor (superfície texturizada com dióxido de silício) foi utilizado, uma vez que produziu uma significativa redução da reflexão da superfície frontal da célula solar. As células solares desenvolvidas neste trabalho foram caracterizadas utilizando diversas técnicas como curva IxV no escuro e sob iluminação, curvas de corrente de curto-circuito versus tensão de circuito aberto e respostas espectrais ou eficiências quânticas. Os resultados obtidos mostraram a excelente qualidade alcançada pelos emissores desenvolvidos, tanto com relação à eficiência de coleção para curtos comprimentos de onda, como no referente à pouca contribuição à densidade de corrente de recombinação. Das análises teórico-experimentais realizadas concluiu-se que as células desenvolvidas neste trabalho estão limitadas pela recombinação na região de base, devendo ser este um dos caminhos a ser seguido visando melhorar o rendimento destes dispositivos. A célula mais representativa do processo utilizado alcançou uma eficiência de (16,9 ± 0,3)%, uma tensão de circuito aberto de 639,6mV e uma densidade de corrente de curto-circuito de 33,67mA/cm² (medidas realizadas no National Renewable Energy Laboratory (NREL)). / Searching for the improvement of n+pp+ solar cell efficiencies, a theoretical model was developed in order to optimize the emitter parameters and several technological processes were implemented in the fabrication of these devices. Thus, a code considering the characteristics of the different regions n+ emitter, base region and p+ emitter were developed. The emitter n+ and the base region were analyzed by means of the theoretical model with analytical solutions, while the p+ emitter was analyzed considering the classical theory. Using update parameters, a optimization was made for the two kinds of emitters. And by means of the theoretical results, the excellent behavior of homogeneous emitters when moderately doped, relatively thick and passivated. The best theoretical results were found with two-step diffusion emitters. However, comparing the two kinds of emitters a remarkable importance was found for practical applications of homogeneous emitter. Thus, a comparison considering the dependence of homogeneous emitters on the metal-grid shadowing factor (Fm) was fulfilled. The technological development was fulfilled with some innovations in the fabrication process; such as the use of C33 (in the cleaning of high temperature furnaces, as well as for growing the SiO2), chemical texturizations and phosphorus pre-deposition in open tube furnaces. The anti-reflection system was chosen, considering the theoretical-experimental optimizations developed for anti-reflection coatings. The solar cells were characterized by current density versus voltage curve under darkness and illumination, quantum efficiency and so on. The obtained results showed the excellent quality reached for the developed emitters, as for the internal quantum efficiency as for the low recombination current density. Analyzing the theoretical and experimental results, it was found that the base region is limiting the performance of the cells. Thus, this must be a way of improving the efficiency of these cells. The best solar cell has a short-current density of 33.67mA/cm², an open-circuit voltage 639.6mV and efficiency of (16.9 ± 0.3)%, measured by National Renewable Energy Laboratory (NREL).

Este trabalho apresenta os resultados da preparação e caracterização de eletrólitos poliméricos a partir de DNA-CTMA e DNA-DODA com adição de 7, 9, 10 e 11% (m/m) de LiClO4 e/ou LiI/I2. O objetivo é usar estes eletrólitos poliméricos em pequenas células solares sensibilizadas com corante (DSSC). O DNA com a massa molecular de 5,41x108 ± 1179,6 g/mol foi usado para a síntese de complexos de DNA-CTMA e DNA-DODA através da reação de substituição de DNA com os agentes surfactantes: CTMA e DODA. As amostras na forma de filmes foram caracterizadas por espectroscopia de impedância, difração de raios-X, UV-Vis, FT-IR e análises térmicas (DSC e TGA). Os espectros de FT-IR confirmaram a obtenção dos complexos de DNA-CTMA e DNA-DODA. A espectroscopia no UV/Vis revelou a presença de absorção em 260 nm atribuída às transições eletrônicas π- π* das bases nitrogenadas do DNA. As análises térmicas dos complexos de DNA-CTMA e DNA-DODA mostraram a estabilidade térmica de 226°C e 232°C e a transição vítrea de -67°C e -40,0°C, respectivamente. A difração de raios-X das amostras permitiu a determinação da porcentagem de cristalinidade sendo entre 43,74 e 63,20% para DNA-CTMA e entre 49,4 e 76,25% para DNA-DODA. Os filmes foram submetidos às medidas de condutividade iônica revelando os melhores resultados de 8,21x10-4 S/cm a 25°C para as amostras de DNA-CTMA com 10% (m/m) de LiClO4 e 2,87x10-4 S/cm para o DNA-DODA com 10% (m/m) de LiClO4. Os eletrólitos de DNA-CTMA com 9 e 10 % (m/m) de LiI/I2 e DNA-DODA com 9 e 10% (m/m) de LiI/I2 foram aplicados em pequenas células solares mostrando a eficiência de 0,14, 0,31, 0,177 e 0,66% respectivamente, valores considerados promissores para futuros estudos. / The present work describes the preparation and characterization of polymeric electrolytes of DNA-CTMA and DNA-DODA with addition of 7, 9, 10 and 11% (m/m) LiClO4 and/or LiI/I2. The objective is use of these polymer electrolytes in dye sensitized solar cells (DSSC). The DNA with molecular weight of 5,41x108 ± 1179,6 g/mol was used to synthesize DNA-CTMA and DNA-DODA complexes by substitution reaction. The obtained samples in the film form were then characterized by impedance spectroscopy, X-ray diffraction, UV-Vis, FT-IR and thermal analyses (DSC and TGA). The FT-IR spectra confirmed both, DNA-CTMA and DNA-DODA complexes obtaining. The UV-Vis spectroscopy of the samples evidenced an absorption band at 260 nm attributed to electronic transitions π-π * of DNA nitrogenous bases. The TGA and DSC analyses shoved a thermal stability of the DNA-CTMA and DNA-DODA samples of 226°C and 232°C and, glass transition of -67°C and -40°C, respectively. The X-ray diffraction allowed determining the crystallinity of 43.74 to 63.20% for the samples of DNA-CTMA and 49.4 to 76.25% for the DNA-DODA. The films were subjected to ionic conductivity measurements showing the best results of 8.21x10-4 S/cm at 25°C for the DNA-CTMA with 10% (w/w) of LiClO4 and of 2.87x10-4 S/cm for DNA-DODA with 10% (w/w) of LiClO4. Finally the electrolytes of DNA-CTMA with 9 and 10% (m/m) of LiI/I2 and of DNA-DODA 9 and 10% (m/m) of LiI/I2 were applied in small solar cells exhibiting the efficiency of 0,14, 0,31, 0,177 and 0,66%, respectively. The obtained results are promising for future investigations.