Este trabalho foi desenvolvido em duas etapas: i) síntese, caracterização e aplicação de pontos quânticos de CdS, CdSe e CdTe em células solares. ii) modificação da superfície dos pontos quânticos de CdSe através de troca de ligante, seguida de caracterização e aplicação em células solares. Os pontos quânticos foram sintetizados utilizando acetatos de cádmio, selênio, telúrio e enxofre como precursores e ácido oleico como agente de estabilização. Na segunda etapa o ácido oleico foi substituído por ligantes com maior afinidade eletrônica pelos sítios de Cd2+: ácido 3-mercaptopropiônico, 4-ácido-mercaptobenzóico e ácido 11-mercaptoundecanóico. As amostras foram caracterizadas por UV-Vis, fluorescência, microscopia eletrônica de transmissão, difratometria de raios-X e voltametria cíclica. Adicionalmente, testes de solubilidade, análises de TGA e de RMN foram realizadas para confirmar a troca de ligante. Através dos resultados, verificou-se que todos os pontos quânticos sintetizados são adequados para sensibilização de TiO2 em dispositivos fotovoltaicos. No entanto, os pontos quânticos de CdSe e CdTe apresentaram fatores que evidenciam maior confinamento quântico, sendo que a maior estabilidade do éxciton foi obtida para o CdSe. Através das análises de RMN foi possível verificar que não existe apenas uma confirguração espacial preferencial para a adsorção do ligante sobre a superfície deste ponto quântico enquanto que curvas de corrente versus potencial e de eficiência de conversão de fóton incidente mostraram que a eficiência do dispositivo é fracamente dependente do ligante. Contudo, a troca de ligantes favorece a solubilidade em solventes com diferentes polaridades, inclusive água, o que amplia as possibilidades de aplicação dos pontos quânticos sintetizados neste trabalho. / This work was developed in two stages: i) synthesis, characterization and application of CdS, CdSe and CdTe quantum dots to assemble solar cells, ii) surface modification, characterization and application of CdSe quantum dots to assemble solar cells. The quantum dots were synthesized by using cadmium acetate, Se, S or Te as precursors and oleic acid as stabilizing agent. In the second stage the oleic acid capping layer was replaced by other ligands with higher electron affinity to Cd2+: 3-mercaptopropionic acid, 4-mercaptobenzoic acid and 11-mercaptoundecanoic acid. The samples were characterized by UV-Vis, fluorescence, transmission electron microscopy, x-ray diffractometry and cyclic voltammetry. Additionally, solubility tests, TGA analysis and NMR were performed to evaluate the CdSe surface modification. The results showed that all quantum dots synthesized are adequate to sensitize TiO2 in photovoltaic devices. However, CdSe and CdTe quantum dots presented better quantum confinement and the exciton generated in CdSe presented the higher stability. NMR analysis provided information about the non-preferential orientation for adsorption of the ligands on the CdSe surface, meanwhile measurements of current vs. potential and incident photon current efficiency showed a weak dependence of photovoltaic device efficiency with the nature of the ligand. On the other side, the surface modification favors the solubility in solvents with different polarizabilities, including water, widening the range for applications of the quantum dots synthesized in this work.

Os polímeros conjugados têm sido objeto de estudo nos últimos vinte anos devido à grande variação observada em sua condutividade quando sob dopagem química. A maioria dos polímeros dessa família passa de isolante, quando não dopados ou fracamente dopados, a bons condutores de eletricidade quando fortemente dopados. Em dopagens intermediárias apresentam um comportamento semicondutor, inclusive efeitos de fotocondução, fotovoltagem e luminescência. Nesse trabalho exploramos algumas dessas propriedades, mais comuns aos semicondutores inorgânicos, e mostramos que é possível obter dispositivos eletrônicos e/ou optoeletrônicos com os polímeros orgânicos. Em estruturas de diodos, tipo Schottky e pin, fabricamos e caracterizamos dispositivos fotovoltaicos com polianilina e poli(o-metoxianilina). Nesses materiais, sob fraca dopagem foi observado um efeito de fotocondução negativa. Já com o poli(2-metoxi, 5-hexiloxi-1,4fenileno vinileno) fabricamos e caracterizamos células fotovoltaicas e mostramos que esse tipo de estrutura permite a fabricação de um dispositivo reversível: fotovoltaico e eletroluminescente. / Conjugated polymers have been extensively studied in the last twenty years due to their high conductivity variation under doping. They are insulating materials when non-doped or weakly doped and good conductors when strongly doped. In intermediate doping concentration they behave as semiconductors, exhibiting photoconduction, photovoltaic and luminescent effects. In this work we explore some of these properties and we show that metoxyaniline), using Schottky and pin structures, were fabricated and characterized. These materiaIs, when weakly doped, showed a negative photoconductivity. Schottky diodes were also fabricated with poly (2¬methoxy, 5-hexyloxy, 1-4 phenylene-vynilene) and besides the photovoltaic effect this device exhibited the reversible eletroluminescent effect.

As células solares orgânicas, também conhecidas como (OPVs), fazem parte da terceira geração dos dispositivos fotovoltaicos. Entre outras tecnologias emergentes, a dos OPVs tem a vantagem de ser de fácil processamento e de baixo custo. Ou seja, uma tecnologia comercialmente promissora na área de conversão de energia solar em energia elétrica. No entanto, grandes desafios precisam ser superados para colocar estas células no mercado dos fotovoltaicos. Dentre esses desafios, pode estar incluído, inevitavelmente, a compreensão dos processos físicos envolvidos na fotogeração em OPVs, dentre os quais pode-se destacar o da recombinação de cargas fotogeradas. A recombinação é o principal responsável pela perda de eficiência em OPVs, uma vez que ela elimina uma fração relativamente grande de portadores de carga, diminuindo consideravelmente a potência de saída da célula. Para estudar este efeito indesejado em células orgânicas, desenvolvemos um modelo analítico para fotocorrente em OPVs do tipo bulk heterojunction (BHJ), assumindo uma recombinação bimolecular de cinética de segunda ordem. O modelo é representado por uma expressão analítica obtida a partir das equações fundamentais da eletrodinâmica clássica, onde despreza-se a contribuição da corrente de difusão e as mobilidades dos elétrons e dos buracos são consideradas iguais. Essa expressão foi de grande valia na análise dos resultados experimentais, sobretudo os de corrente-tensão (J-V) sob iluminação, e além disso, ela permitiu extrair parâmetros intrínsecos do transporte de carga, como mobilidade e coeficiente de recombinação. Neste sentido, foram fabricados dispositivos cuja estrutura foi ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Ca/Al, e com eles foram realizados inúmeros experimentos. As técnicas usadas na parte experimental foram: medidas J-V, no escuro e sob iluminação, medidas de transiente de fotovoltagem (TPV), de transiente de fotocorrente (TPC), e de Foto-CELIV (Charge Extraction Linear Increasing Voltage). Usamos como parâmetros experimentais a temperatura e intensidade de iluminação. Das medidas J-V sob iluminação, foram extraídos os parâmetros essenciais da célula: corrente de curto (Jsc), potencial de circuito aberto (Voc), fator de preenchimento (FF) e a eficiência (PCE). A partir das abordagens experimental e teórica, exploramos a influência da recombinação bimolecular no comportamento fotovoltaico dos dispositivos. O desenvolvimento do modelo teve contribuição de trabalhos que se basearam em modelagem numérica a partir de condições físicas semelhantes às usadas em nosso tratamento e que foram levadas em consideração no processo de análise dos resultados experimentais. / Organic solar cells, also known as (OPVs), are part of the third generation of photovoltaic devices. Among other emerging technologies, OPVs have the advantage of being easy to process and exhibits low cost of production. That is, it is a promising commercial technology in the area of converting solar energy into electricity. However, major challenges need to be overcome to put these cells in the photovoltaic market. Among them, it can be included, inevitably, the comprehension of the physical processes involved in photogeneration in OPVs, of which, the recombination of photogenerated carriers is included. Recombination is primarily factor responsible for the loss of efficiency in OPVs, since recombination eliminates a large fraction of the carriers, considerably reducing the output power of the cell. To study this undesirable effect in organic cells, we developed an analytical model for the photocurrent in bulk heterojunction cells (BHJ), which assumes the bimolecular recombination of second order kinetics. The model is represented by an analytical expression obtained by the equations of the classical electrodynamics, where we neglected the contribution of the diffusion current and assumed that electrons and holes have equal mobilities. The expression was of great value for the analysis of the experimental results, especially the current-voltage (J-V) measurements under illumination, and it allowed to extract intrinsic parameters of charge transport effects, such as mobility and recombination coefficient. For this, it were fabricated devices whose structure was ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Ca-Al, and with them were performed numerous experiments. The techniques used in the experimental part were: J-V measurements, in the dark and under illumination, transient photovoltage (TPV), transient photocurrent (TPC), and of Charge Extraction Linear Increasing Voltage (Photo-CELIV). We used as experimental parameters the temperature and the intensity of. From J-V measurements under illumination we extracted the essential cell parameters: short current (Jsc), open circuit potential (Voc), fill factor (FF) and efficiency (PCE). From the experimental and theoretical approaches, we explored the influence of bimolecular recombination on the photovoltaic behavior of the devices. The development of the model had contributions of works based on numerical modelings from physical conditions similar to those used in our treatment and that were taken into account in the process of analysis of the experimental results.

Semicondutores orgânicos têm atraído cada vez mais atenção da comunidade científica e de indústrias. O grande interesse se divide entre a riqueza de fenômenos físicos e químicos a serem estudados e o seu grande potencial de aplicação tecnológica nas mais diversas áreas: diodos emissores de luz (OLEDs), células solares e fotodiodos, transistores, biosensores, sensores de radiação ionizante, entre outros. O objetivo deste trabalho foi de contribuir para o avanço de duas áreas de aplicação, ambas relacionadas com a interação de radiação eletromagnética com a matéria: células solares e dosimetria de radiação gama. Na área de células solares, foram explorados dois dos principais limitadores do aumento de eficiência de conversão de potência: a falta de materiais com absorção na região em que o Sol emite mais fótons (infravermelho próximo (NIR)) e a dificuldade de controle da morfologia interna das células. Foi demonstrado um novo conceito de fabricação de células solares através da nanoestruturação de filmes finos poliméricos. A metodologia de estruturação se baseia no processo de separação de fases em blendas poliméricas durante o processo de deposição por spin-coating e a subseqüente remoção de uma das componentes. Assim é possível obter uma camada ativa cobrindo todo o substrato e apresentando ondulações na superfície que podem ser variadas desde alguns nanômetros de altura e largura até micrômetros. O processo de nanoestruturação é discutido e dispositivos fotovoltaicos foram produzidos cobrindo filmes nanoestruturados de MEH-PPV com fulereno C60. A eficiência de conversão de potência destas células é três vezes maior do que o melhor resultado já reportado para este par de materiais até o momento e atinge quase 3% sob irradiação monocromática. Utilizando corantes cianinos, dispositivos fotovoltaicos e fotodiodos com resposta desde no visível até o infravermelhor próximo (~1000 nm) foram demonstrados e foi observado um papel importante dos íons móveis presentes nos corantes. Finalmente, foi demonstrada a aplicabilidade de um corante polimerizado como dosímetro de radiação gama. A faixa de operação do dosímetro pode ser alterada variando-se a concentração da solução do corante, que poderia ser utilizado na região de doses de irradiação de alimentos. / Organic semiconductors have atracted much attention from the scientific community and from the industry. The large interest is divided between the rich number of basic physical and chemical phenomena to be investigated and the great technological potential for application in different areas, such as light emitting diodes (OLEDs), solar cells, photodiodes, transistors, biosensors, ionizing radiation sensors, among others. The subject of this work was to contribute to a deeper understanding of two areas of application, both related to the interaction of electromagnetic radiation with matter: solar cells and gamma ray dosimetry. In the area of solar cells, the lack of materials absorbing in the near infrared (NIR) and the poor control of the morphology of the active films are limiting factor to increasing device efficiency. Therefore both this aspects were explored. A new concept of organic solar cell fabrication was presented based on the anostructuration of polymeric thin films. The methodology is based on phase separation of polymer blends during spin-coating followed by the selective removal of one component. This allows the controlled formation of thin films with characteristic features varying from a few nanometers to micrometers. The effects of molecular weigth, solvent and relative composition were investigated and discussed based on the analysis of AFM images and phase separation models. Devices using structured MEH-PPV layers, covered by C60 were fabricated and showed white light power conversion efficiencies (?) up to 400 % higher than a flat double layer device. Monochromatic ? achieved 2.95 % (480 nm), three times higher than the best reported value for this material combination so far. Using cyanine dyes, photovoltaic devices and photodiodes active in the NIR (~1000 nm) were demosntrated and an important effect of movable ions present in the dyes was observed. Finally, the application of a polymerized dye as gamma ray dosimeter was demonstrated. The operation range can be altered by varying the concentration of polymer in solution, and are useful in the range of low dose food irradiation.

Orientador: Ana Flávia Nogueira / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química / Made available in DSpace on 2018-08-17T19:59:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Benedetti_JoaoEduardo_D.pdf: 8810025 bytes, checksum: 02324ef0185baef0d7794ea229fb5cda (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: Este trabalho consistiu na preparação, caracterização e posterior aplicação de eletrólitos poliméricos gel em celulas solares de TiO2/corante. No Capítulo I, e apresentado uma introdução geral sobre células solares e eletrólitos poliméricos. O Capítulo II contém os objetivos deste trabalho. No Capítulo III, são preparados os eletrólitos polimérico gel utilizando a matriz polimérica de poli(oxido de etileno-co-2-(2-metoxietoxi) etil glicidil eter) (P(EO/EM)) contendo I2 e várias concentrações de g-butirolactona (GBL) e LiI. Esses eletrólitos foram caracterizados por medidas de calorimetria exploratória diferencial (DSC), ressonância magnética de Li (RMN), termogravimetria (TGA), difração de raios-X (DRX), condutividade e voltametria cíclica (VC). O eletrólito polimérico gel P(EO/EM)/GBL/LiI/I2 apresentou excelentes propriedades químicas e eletroquímicas. Esses eletrólitos foram aplicados nas células solares de TiO2/corante, conforme e apresentado no Capítulo IV. As células solares foram caracterizadas por meio das curvas de corrente-potencial (J-V), estimativa do tempo de vida do eletron e espectroscopia de absorção transiente (TAS). De modo geral, os dispositivos montados com o eletrólito polimérico (P(EO/EM)/GBL/LiI/I2 apresentaram um aumento da fotocorrente com a incorporação de GBL no eletrólito. Esse resultado e influência da maior difusão das especies redox no meio. Em contrapartida, o aumento da concentração de GBL no eletrólito também provocou uma acentuada perda no potencial de circuito aberto, o que foi relacionado ao aumento dos processos de recombinação na interfaces, contribuindo para a perda da eficiência das células solares. Para minimizar esses efeitos, no Capítulo V, e apresentada a caracterização por meio das curvas de corrente-potencial da célula solar de TiO2/corante montadas com o eletrólito P(EO/EM)/GBL/LiI/I2 preparado com terc-butilpiridina e éter coroa. A incorporação desses aditivos proporcionou um aumento de Voc das células solares e, consequentemente, da eficiência dos dispositivos. O Capítulo VI apresenta os testes de estabilidade das células solares de TiO2/corante preparadas com o eletrólito polimérico gel, no qual apresentou estabilidade apropriada durante 30 dias de teste. O Capítulo VII contém as principais conclusões deste trabalho e perspectiva de continuação para esta linha de pesquisa / Abstract: This thesis consisted in the preparation, characterization and application of gel polymer electrolytes in dye-sensitized TiO2 solar cells. A general introduction to solar cells and to polymer electrolytes will be presented in Chapter I. Chapter II describes the aims of this work. Chapter III deals with the preparation of gel polymer electrolytes based on the poly(ethylene oxide-co-2-(2-methoxyethoxy) ethyl glycidyl ether) (P(EO/EM)) polymer matrix containing I2 and different concentrations of g-butyrolactone (GBL) and LiI. These electrolyte samples were characterized by differential scanning calorimetry (DSC), Li nuclear magnetic resonance (Li RMN), thermogravimetry (TGA), X-ray diffraction (RDX), conductivity measurements and cyclic voltammetry (VC). The gel polymer electrolyte P(EO/EM)/GBL/LiI/I2 provided excellent chemical and electrochemical properties. The electrolytes were applied in dye-sensitized TiO2 solar cells, as discussed in Chapter IV. Solar cells were characterized by current-voltage (IV) curves, electron lifetime measurements and transient absorption spectroscopy (TAS). Most of the solar cells based on the polymer electrolyte P(EO/EM)/GBL/LiI/I2 presented an increase in photocurrent with the addition of GBL to the electrolyte composition. This result may be explained by the enhanced diffusion of redox species in the medium. However, a significant decrease in open-circuit voltage was observed after increasing the GBL concentration in the electrolyte composition. The decrease in open-circuit voltage was assigned to an increase in recombination losses taking place at the interfaces, which resulted in solar cells with lower performance. In order to minimize these drawbacks, dye-sensitized TiO2 solar cells were assembled with the electrolyte P(EO/EM)/GBL/LiI/I2 containing 4-tert-butylpyridine and crown ether molecules. The addition of these additives provided an increase in Voc and, consequently, improved device performance. The characterization of these solar cells based on gel polymer electrolyte containing additives was carried out by means of current-voltage (I-V) curves, as discussed in Chapter V. Dye-sensitized TiO2 solar cells based on gel polymer electrolyte were subjected to durability tests. Good durability results were achieved during a 30-day test, which are discussed in Chapter VI. Chapter VII deals with the main conclusions of this work and outlines some perspectives for the next steps of this research / Doutorado / Quimica Inorganica / Doutor em Ciências

Orientador: Paulo Roberto Mei / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-14T07:44:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Moreira_SimonedePaula_D.pdf: 8445181 bytes, checksum: a58955df1f5c0b0b975a053856fe9dc0 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: A busca por fontes renováveis de energia fez com que a produção de células solares apresentasse um crescimento explosivo nesta década, passando de 0,3 GW em 2002 para 6,0 GW em 2008, envolvendo em 2008 a cifra de 37 bilhões de dólares. A produção de Silício Grau Eletrônico (SiGE) aumentou 127% de 2007 para 2008, sendo que cerca de 90% das células solares produzidas atualmente utiliza o SiGE, que é responsável por 1/4 do custo total da instalação de um painel solar. O processo de purificação de silício utilizado em todo o mundo é o Siemens, baseado na cloração do silício, o qual possui o inconveniente de gerar resíduos químicos de alta toxidade. Esse processo produz o silício de alta pureza, com menos de 1 ppm de impurezas, chamado de Silício Grau Eletrônico (SiGE), usado tanto pela indústria microeletrônica como a de produção de células solares. Para suprir tal demanda de silício para a área fotovoltaica, existem duas alternativas. A primeira visa desenvolver processos químicos derivados do Siemens para produzir um silício de qualidade inferior e de menor custo, denominado de Silício Grau Solar (SiGS), mas que atenda a exigência para a fabricação de células solares. A segunda alternativa é tentar adaptar etapas metalúrgicas de purificação ao silício de grau metalúrgico (SiGM), de forma a obter um silício com exigências a um SiGS, foco deste trabalho. As possibilidades de inserção do Brasil no mercado fotovoltaico são muito grandes, pois além de possuir a maior reserva mundial de quartzo, é o terceiro maior produtor de silício metalúrgico do mundo e o exporta a, aproximadamente, U$ 1/kg. Entretanto a agregação de tecnologia na purificação do silício eleva exponencialmente o seu valor, chegando a US$ 100 /kg para o silício policristalino de grau eletrônico ou até US$ 4.000/kg para lâminas de silício mono e policristalino da mesma pureza. O Departamento de Engenharia de Materiais da Unicamp pesquisa o SiGS desde 1980, tendo obtido naquela época, através da lixiviação ácida e solidificação unidirecional de SIGM, um lingote com 170 ppm de impurezas metálicas na sua região mais pura. Deste lingote foram produzidas células solares com eficiência de 4 % no Instituto de Física da Unicamp. A partir de 1990, com compra de um forno de feixe de elétrons, iniciaram-se os estudos sobre a purificação do SiGM neste equipamento, tendo sido observada numa amostra circular, solidificada a 10 mm/min, a segregação radial de impurezas, com uma redução de 1100 para 15 ppm na região mais pura da amostra. Os resultados obtidos nos levaram a estudar o potencial de purificação de silício metalúrgico no forno EBM com a técnica de fusão zonal horizontal, utilizando cadinhos de cobre refrigerado à água e de grafita, com diferentes velocidades de avanço de zona (1 e 10 mm/min), foco deste trabalho. As vantagens do processo de fusão zonal horizontal (com cadinho) sobre o de fusão zonal vertical ou flutuante (sem cadinho) é que o controle do tamanho da zona é bem mais simples no primeiro, além de permitir o uso de silício em qualquer forma (pedras, granulado ou lingotes) enquanto que para o segundo somente podem ser utilizadas barras de silício Os resultados obtidos utilizando-se o SiGM fornecido pela empresa Liasa com teor total de impurezas de 1454 ppm e mais de 100 ppm de carbono e 30 ppm de oxigênio e o SiGM fornecido pela empresa Rima, com teor total de impurezas de 254 ppm e mais 140 ppm de carbono e 2500 ppm de oxigênio foram os seguintes: - O uso de cadinho de cobre refrigerado a água foi adequado, pois permitiu fácil desmoldagem do lingote sem contaminar o silício. Com 1 passada de fusão zonal em 2 lingotes, numa velocidade de 1 mm/min e uma nova passada no lingote formado pelas duas metades mais limpas, permitiu a obtenção de um teor total de impurezas de 25 ppm com silício Liasa e menos de 11 ppm com o silício Rima. O teores de carbono e oxigênio foram reduzidos para 35 e 6 ppm respectivamente, no silício Liasa e 40 e 10 ppm, no silício Rima, valores próximos do SiGE da Wacker, com 20 e 12 ppm. A perda de massa do silício por evaporação ficou em torno de 6% por passada, o que limita a aplicação da fusão zonal para um grande número de passadas; - Embora o cadinho de cobre forneça um silício bastante puro (5 noves ou 99,999%) o lingote apresentou trincas internas de solidificação e não pode ser usado diretamente na produção de células solares. Outro processo de solidificação (CZ ou HEM) posteriormente ao processo de fusão zonal deveria ser usado, obtendo assim lingote de melhor qualidade estrutural; - Todas as impurezas metálicas analisadas (Al, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Mo, Nb, Ni, Ti, V, W e Zr) além de boro e fósforo foram segregadas para o final do lingote. Além da segregação, houve a purificação por evaporação principalmente do fósforo, seguido em menores proporções de manganês, alumínio e cobre. O coeficiente de distribuição efetivo (K) de cada elemento mostrou ser dependente do teor total de impurezas e quanto maior o teor total de impurezas, maior foi o valor de K. O boro foi pouco afetado pelo processo de fusão zonal, pois não evapora e tem solubilidade próxima no sólido e no líquido; - O uso de cadinho de grafita no lugar do cadinho de cobre refrigerado a água, reduziu o consumo de energia em 20% e proporcionou a produção de um lingote de silício com boa pureza e melhor qualidade estrutural, com ausência de trincas internas. O contato do silício com o cadinho provocou, entretanto, a contaminação do silício pelo carbono e a formação de uma camada superficial de carboneto de silício, de extrema dureza, o que dificulta ou impede o corte das lâminas. Houve a quebra do cadinho de grafita durante a fusão ou a desmoldagem. Cadinhos especiais como FABMATE e SuperSiC também apresentaram a adesão do silício e quebraram; - A resistividade elétrica não mostrou correlação com o teor total de impurezas, ficando em torno de 0,08±0,04 ohm.cm para lâminas com teor total de impurezas entre 10 e 10.000 ppm. A resistividade elétrica também não mostrou correlação direta com a eficiência solar nas amostras produzidas; - A eficiência solar não mostrou relação direta com o teor total de impurezas, mas sim com a qualidade estrutural do lingote, pois as células que apresentaram maior eficiência foram produzidas no cadinho de grafita, onde as lâminas não apresentavam trincas de solidificação. / Abstract: The search for renewable energy sources has caused a boom in the production of solar cells in this decade, which rose from 0.3 GW in 2002 to 6.0 GW in 2008, totaling 37 billion dollars in 2008. The production of Electronic Grade Silicon (SiGE) increased 127% from 2007 to 2008, and approximately 90% of solar cells produced nowadays use SiGE, which is responsible for 1/4 of the total installation cost of a solar panel. The Siemens process is used all over the world to purify silicon. It is based on the chlorination of silicon and has the disadvantage of generating highly toxic chemical waste. This process produces high-purity silicon with less than 1 ppm impurities, called Electronic Grade Silicon (SiGE). It is used by the microelectronics industry and in the production of solar cells as well. There are two alternatives to meet the demand for silicon for the photovoltaic area. The first one, called Solar Grade Silicon (SiGS), aims to develop a chemical processes, derived from the Siemens process, to produce lower-quality silicon at lower costs, but which still meets the requirements for solar cell manufacture. The second alternative is to try to adapt the metallurgical purification steps of metallurgical grade silicon (SiGM) to obtain silicon that meets SiGS requirements, which is the focus of this work. The possibilities of insertion of Brazil in the photovoltaic market are very large because, besides having the largest quartz reserves in the world, it is the third largest producer of metallurgical silicon in the world and exports it at about U$ 1/kg. However, the aggregation of technology in silicon purification increases its value exponentially, reaching U$100/kg for electronic grade polycrystalline silicon and up to U$ 4.000/kg for layers of mono and polycrystalline silicon, with the same purity. The Department of Materials Engineering of Unicamp has researched SIGS since 1980, having obtained an ingot with 170 ppm metallic impurities in its purest region by acid leaching and unidirectional solidification of SiGM at that time; solar cells with 4% efficiency were produced from this ingot at the Institute of Physics at Unicamp. In 1990, with the purchase of an electron beam furnace, studies on the purification of SiGM in this equipment were started. Radial segregation of impurities was observed in a round sample solidified at 10 mm/min, with a reduction from 1100 to 15 ppm in its purest region. The results led us to study the potential for purification of metallurgical silicon in the EBM furnace with the horizontal zone melting technique, using water-cooled copper and graphite crucibles, with different zone advance speeds (1 and 10 mm/ min), which is the focus of this work. The advantages of the horizontal zone melting process (with crucible) over the vertical zone melting or floating (without crucible) process is that the control of the size of the zone is much simpler in the former, besides allowing the use of silicon in any shape (stones, granulated or ingots), while only silicon bars can be used in the latter. The results obtained using the SiGM provided by Liasa, with 1454 ppm total impurities content and more than 100 ppm and 30 ppm of carbon and oxygen, and the SiGM supplied by Rima Company, with 254 ppm total impurities content and 140 ppm carbon and 2500 ppm oxygen, were as follows: - The use of the water-cooled copper crucible was adequate because it allowed easy shakeout, with no silicon contamination. With 1 melting zone pass along 2 bars, at a speed of 1 mm/min, and a new pass along the ingot formed by the two cleanest halves, we obtained a total of 25 ppm impurities content with Liasa silicon and less than 11 ppm with Rima silicon. Carbon and oxygen contents were reduced to 35 and 6 ppm, respectively, in Liasa silicon and 40 and 10 ppm in Rima silicon; these values are near Wacker SiGE values of 20 and 12 ppm. The loss of silicon mass by evaporation was around 6% per pass, which limits the application of zone melting for a large number of passes; - Although the copper crucible leads to extremely pure silicon (5 nines or 99,999%) the ingot presented internal solidification cracks and cannot be used directly in the production of solar cells. Another solidification process (CZ or HEM) should be used after the zone melting process, leading to an ingot with better-quality structure; - All metal impurities analyzed (Al, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Mo, Nb, Ni, Ti, V, W and Zr), besides boron and phosphorus, were segregated towards the end of the block. Besides segregation, there was purification of phosphorus, mainly by evaporation, followed by smaller proportions of manganese, aluminum and copper. The effective distribution coefficient (K) of each element was shown to be dependent on the total impurities content, and the higher the total impurities content, the higher the value of K is. Boron was little affected by the zone melting process because it does not evaporate and its solubility is similar in the liquid and in the solid phases; - The use of the graphite crucible, instead of the water-cooled copper crucible, reduced energy consumption in 20% and led to the production of a silicon ingot with good purity and better structural quality, without internal cracks. The contact of silicon with the crucible has, however, caused the contamination of silicon by carbon and formed an extremely hard surface layer of silicon carbide, which makes it difficult to cut the layers or even prevents it. The graphite crucible broke during melting or shakeout. Special crucibles, such as FABMATE and SuperSiC, also suffered silicon adhesion and broke; - The electrical resistivity showed no correlation with the total impurities content, remaining around 0.08 ± 0.04 ohm.cm for samples with total impurities content between 10 and 10,000 ppm. The electrical resistivity also showed no direct correlation with solar efficiency in the samples produced.; - The solar efficiency showed no direct relationship to the total impurities content, but it showed a direct relationship to the structural quality of the ingot, as the higher efficiency cells were produced in the graphite crucible, with no solidification cracks in the layers; / Doutorado / Materiais e Processos de Fabricação / Doutor em Engenharia Mecânica

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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.

Atualmente um dos principais objetivos na área de pesquisa tecnológica é o desenvolvimento de soluções em favor do Meio Ambiente. Este trabalho tem por objetivo demonstrar a reutilização e consequentemente o aumento da vida útil de uma bateria Chumbo-Ácido, comumente instaladas em veículos automóveis, bem como beneficiar locais e usuários remotos onde o investimento na instalação de linhas de transmissão se torna inviável geográfica e economicamente, utilizando a luz solar como fonte de energia. No entanto a parte mais suscetível a falhas são as próprias baterias, justamente pela vida útil delas serem pequenas (em torno de 3 anos para a bateria automotiva) em comparação com o restante do sistema. Considerando uma unidade que já foi usada anteriormente, a possibilidade de falhas é ainda maior. A fim de diagnosticar e evitar que uma simples bateria possa prejudicar o funcionamento do sistema como um todo, o projeto considera a geração de energia elétrica por células fotovoltaicas e também contempla um sistema microcontrolado para leitura de dados utilizando o microcontrolador ATmega/Arduino, leitura de corrente por sensores de efeito hall da Allegro Systems, relés nas baterias para abertura e fechamento delas no circuito e um sistema de alerta para o usuário final de qual bateria está em falha e que precisa ser reparada e/ou trocada. Esse projeto foi montado na Ilha dos Arvoredos SP, distante da costa continental em aproximadamente 2,0km. Foram instaladas células solares e um banco de baterias, a fim de estudar o comportamento das baterias. O programa pôde diagnosticar e isolar uma das baterias que estava apresentando defeito, a fim de se evitar que a mesma viesse a prejudicar o sistema como um todo. Por conta da dificuldade de locomoção imposta pela geografia, foi escolhido o cartão SD para o armazenamento dos dados obtidos pelo Arduino. Posteriormente os dados foram compilados e analisados. A partir dos resultados apresentados podemos concluir que é possível usar baterias novas e baterias usadas em um mesmo sistema, de tal forma que se alguma das baterias apresentar uma falha o sistema por si só isolará a unidade. / Actually one of the main goals in the technology research area is the development of solutions in accordance with our Environment. The objective of this work is to illustrate the reuse and consequently increase of the Lead-Acid Secondary Battery lifecycle, commonly installed in automotive vehicles, as well as to benefit remote areas and users, where the investment in a new electrical infrastructure is unfavorable geographically and economically, using sunlight as a feasible and available alternative solution. However, the most fragile part of the system are the batteries, due to their own short service life (approximately 3 years for the automotive battery), compared with the other equipment within the system. The chance to have a failure is even higher when using a unit which has been serviced before. In order to anticipate and avoid that a single faulty battery could bring the entire system down, the project consider using photovoltaic cells for electricity generation and also has a micro-controlled system for data reading using an ATmega/Arduino microcontroller, current readings using hall-effect sensors from Allegro Systems, relays on the batteries to open and close themselves in the circuit and an alarm system that indicates to the user which battery is faulty as well as needing repair and/or replacement. This project has been installed in Ilha dos Arvoredos SP, a small island with approximately 2.0km far from the coast. Solar cells and a battery string have been installed in order to study the behavior of the batteries. The programming could diagnose and isolate one of the batteries that has been having a failure, to avoid that this same single battery could cause a major failure on the entire system. Due to the restrictions imposed by the geography, the SD card has been chosen for the data storage obtained by Arduino board. Later on the data has been compiled as well as analyzed. The obtained data has shown that it is possible using old and new batteries in a same string, as long as the system will isolate the faulty battery if any of the batteries shows a failure.

Neste trabalho foram crescidos filmes finos de oxinitreto de silício (SiOxNy) por processamento térmico rápido (RTP) utilizando um forno térmico convencional adaptado, objetivando fabricar células solares MOS com baixo custo agregado e bom rendimento de conversão de baixas intensidades luminosas em energia elétrica de forma reprodutível. A receita de oxinitretação otimizada foi desenvolvida em ambiente misto de 5N2:1O2 na temperatura de 850°C para tempos de processo, na faixa de 10 a 80s seguido por uma passivação em 2L/min de N2 por 80s. Os dielétricos crescidos foram caracterizados fisicamente quanto à espessura (entre 1,50 e 2,95nm), à microrugosidade (<0,95nmRMS) e à concentração de nitrogênio (1,0-2,1%atm). As características de tunelamento foram investigadas em capacitores MOS e apontaram para a existência de armadilhas interfaciais do tipo K capazes de armazenar cargas positivas. Nas células solares MOS, a corrente de fundo foi característica para todos os processos de oxinitretação empregados (~0,5-2µA/cm2) e apresentaram níveis de resposta à luz incidente na faixa de 1 a 8mA/cm2 compatível com aplicações de conversão de energia em ambientes internos e externos (energy harvesting). A característica densidade de corrente x tensão de porta (JxVG) das células solares apresentou um comportamento aproximadamente linear desde a densidade de corrente de curto-circuito (JSC) até a tensão de curto-circuito (VOC) implicando em potência gerada máximas (PGmáx) de até centenas de µA/cm2 para VG ? VOC/2 para uma ampla faixa de intensidade radiante incidente (11,8 - 105,7mW/cm2) alcançando rendimentos de conversão de até 5,5%. / In this work, silicon oxynitrides (SiOxNy) were grown by means of a homemade Rapid Thermal Processing (RTP). The goal was to manufacture MOS solar cells with a reduced price and reasonable light conversion efficiency for low light intensity. The optimized oxidation recipe consisted of using an environment with gas mixture of 5N2:1O2 at a temperature of 850°C and different processing times in the range of 10 to 80s followed by a passivation step in ultrapure N2 (2L/min) at the same temperature of 850oC for 80s. The oxynitrides were grown with thickness in the range of 1.50 to 2.95nm with surface microroughness lower than 0.95nmRMS and nitrogen concentration in the range of 1.0 to 2.1%atm. The tunneling characteristics were studied with the aid of MOS capacitor and K-type interfacial traps related to Si(p)/Si?N structure were detected positively charged for VG > 0. The background current in the MOS solar cells (~0.5-2µA/cm2) were similar for all samples and the current response to the incident light was in the range of 1 to 8mA/cm2, which is compatible with energy conversion for indoor and outdoor environments (energy harvesting). The current density x gate voltage (JxVG) characteristics of the MOS solar cells presented a nearly linear behavior since the short-circuit current density (JSC) till to the open circuit voltage (VOC) so that the maximum generated power was of hundreds of µA/cm2 for VG ? VOC/2 for a large range of radiant intensities (11.8 - 105.7 mW/cm2) and achieving efficiency conversion up to 5.5%.