O setor de microgeração eólico no mundo já supera 270MW com milhares de pequenas turbinas com até 100kW de potencia instalada. Em 2010, este setor, no mundo, cresceu mais de 50% em faturamento e deve continuar em alta à medida que a expectativa do preço da energia seja de alta e a consciência ambiental aumente. No Brasil, a microgeração recebeu um grande incentivo com a Resolução Normativa da ANEEL N 482, de 17 de abril de 2012 que estabelece as condições gerais para a conexão de sistemas de microgeração e minigeração distribuída às redes de transmissão de energia elétrica tais como Pequenas Centrais Hidráulicas - PCH, Solar fotovoltaico, Eólico, Biomassa e Cogeração qualificada. Com esta normativa, qualquer cidadão brasileiro, quer seja pessoa física ou jurídica, pode agora montar um sistema de geração de energia de pequeno porte utilizando painel solar fotovoltaico ou aerogerador, conectá-lo na rede pública de energia e receber créditos para abater na sua própria conta de energia. Neste trabalho serão focadas as tecnologias Fotovoltaica e eólica, pois são as que apresentam maior desenvolvimento no país e são mais adequadas à geração distribuída. Como esta resolução normativa é bastante recente, pois entrou em vigor em dezembro de 2013, surgem grandes questionamentos que podem definir o futuro da microgeração distribuída no país: - Compensa investir em sistemas de micro ou minigeração distribuídas de energia, no contexto da normativa 482? - Com quanto tempo o meu investimento trará retorno? Neste contexto o objetivo desta dissertação é aplicar ferramentas de modelagem de processo para detalhar o passo a passo deste novo negócio de geração distribuída de energia, utilizando sistema solar ou eólico, identificando as variáveis envolvidas no processo, principalmente aquelas que podem contribuir para a avaliação da viabilidade econômica do processo em estudo. Para respaldar este estudo, foi desenvolvida toda uma fundamentação teórica envolvendo as principais áreas da tecnologia, necessárias ao bom entendimento do trabalho. Foi proposto um modelo para este novo negócio de geração de energia com 14 subprocessos.O resultado da modelagem deste processo nos trouxe um fluxo de trabalho com 14 subprocessos bastante detalhados, onde foi aplicada a ferramenta SIPOC, que mostrou os fornecedores, as entradas , as saídas e os clientes de cada subprocesso.Por fim, o modelo foi aplicado num projeto real de um sistema fotovoltaico de 50kWp, onde o estudo de viabilidade mostrou que a tecnologia fotovoltaica, na atual realidade brasileira, não se apresenta com uma boa opção de investimento para empresas enquadradas nas tarifas do grupo A.Já para os estabelecimentos do grupo B (tarifa residencial) essa tecnologia já apresenta uma boa atratividade para o investimento.

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.

O trabalho apresenta o desenvolvimento de células solares fotoeletroquímicas baseadas na sensibilização de n-TiO2 por corantes sintéticos e naturais. Abrange as etapas envolvidas na sua obtenção, desde a preparação dos compostos sensibilizadores, filmes semicondutores e meio eletrolítico, até a montagem e medidas de eficiência, com a otimização dos diversos componentes do sistema, num arranjo do tipo sanduíche. O fotoanodo consiste num filme de TiO2 nanocristalino sensibilizado pelo corante num substrato condutor. O contraeletrodo é composto de um substrato condutor recoberto com camada transparente de platina. Entre os eletrodos é disposta a camada de eletrólito, geralmente solução de l2/Lil em acetonitrila. A espessura do filme de semicondutor é controlada com os métodos empregados na deposição de sua dispersão. A transparência final depende ainda do método de preparação das dispersões. Utilizando as espécies cis-[(dcbH2)2RuLL\')2+, dcbH2 = 4,4\'-(CO2H)2-2,2\'bipiridina e L/L\' = cianopiridina, quinolina e H2O, como sensibilizador, obteve-se conversão eficiente de luz visível em eletricidade com valores de IPCE de até 50 % entre 400 e 550 nm. Os processos de transferência e recombinação de elétron na interface sensibilizador/semicondutor foram investigados por experimentos com técnicas resolvidas no tempo empregando sensibilizadores ancorados aos filmes transparentes de TiO2. O trabalho envolveu ainda incorporações técnicas para aumentar a eficiência da célula, como filamentos metálicos protegidos e a combinação de unidades independentes numa associação modular, que são objetos de patentes depositadas. / This work presents the development on photoelectrochemical solar cells based on sensitization of n-TiO2 by synthetic and natural dyes. It comprises several steps involved in the fabrication and assembling of the cells in a sandwich-type design. Preparation of sensitizers, semiconductor films and electrolyte media, as well as efficiency measurements and optimization of several components are presented. The photoanode consists of a dye-sensitized nanocrystalline n-TiO2 film onto a conductive substrate. The counterelectrode is a conductive substrate covered with a thin, transparent platinum layer. The electrolyte layer, usually l2/Lil in acetonitrile, is placed between the electrodes. The deposition process of the semiconductor dispersion onto the substrates regulates the resulting thickness of the film. The final transparency is also controlled by the procedure employed in the preparation of the semiconductor dispersion. The species cis-[(dcbH2)2RuLL\']2+, dcbH2 = 4,4\'-(CO2H)2-2,2\'-bipyridine and L/L\' = 4-cyanopyridine, quinoline and H2O, were employed as sensitizers resulting in IPCE (Incident Monochromatic Photon to Current Conversion Efficiency) values as high as 50 % from 400 to 550 nm. Electron transfer and recombination processes across the semiconductor/sensitizer interface were investigated with time-resolved experiments employing transparent films of n-TiO2 sensitized by the anchored species. Other approaches aiming improvements in efficiencies and the preparation of photoelectrochemical solar cells for different applications or through environmentally friendly processes are discussed. The use of protected metallic filaments and the modular arrangement of single cells are issues of patents.

Na presente tese de doutorado, foram exploradas possibilidades para a aplicação de nanopartículas (NPs) metálicas plasmônicas (fenômenos ópticos intensificados) em processos de fotocatálise e em células solares de Si. Estratégias foram exploradas para a imobilização das NPs plasmônicas em TiO2 Degussa P25 (mistura anatase:rutila 4:1) para captação da radiação eletromagnética UV/visível e somente visível em processos fotocatalíticos; e de NPs de Cu em células solares de Si para processos de fotoconversão, contribuindo com a compreensão dos fenômenos de intensificação local de energia mediados pelas NPs, o qual ainda está em debate no cenário científico. Compósitos de P25+NPs Ag de diferentes arquiteturas (fios, esferas e fotorreduzidas), de P25+NPs Ag recoberta com uma camada de SiO2 e de P25+NPs Au foram desenvolvidos. A caracterização dos materiais foi realizada por meio de técnicas de espectroscopia UV-VIS, IR e Raman, área superficial, DRX e de microscopia eletrônica de varredura e de transmissão. Os efeitos das propriedades plasmônicas dessas nanopartículas foram avaliados na eficiência de fotodegradação de três corantes (alizarina vermelha S, vermelho do Congo e fenossafranina) e de fenol. Todos os materiais plasmônicos apresentaram bom desempenho catalítico, aumentando consideravelmente a velocidade e a porcentagem de fotodegradação sob radiação UV/visível, mas principalmente sob radiação visível (onde a fotodegradação catalisada por P25 é limitada). A comparação entre a fotodegradação de fenol pelo compósito P25+NPs Ag esferas e P25+NPs Ag@SiO2 permitiu concluir que a transferência de carga não é o fenômeno que governa o aumento da eficiência catalítica em comparação à fotodegradação catalisada por P25. O fenômeno de intensificação de radiação eletromagnética localizada por meio de LSPR foi observado também em células solares de silício de primeira geração (wafer) contendo NPs de Cu imobilizadas em sua superfície. Aumentos na densidade de corrente de curto-circuito de cerca de 8 % na região acima de 750 nm e de até 16% na potência destas células solares foram observados. / In this thesis, we explored possibilities for the application of metallic plasmonic nanoparticles (NPs) resulting in intensified optical phenomena processes in photocatalysis and Si solar cell. Different strategies were explored for the immobilization of plasmonic NPs on TiO2 Degussa P25 (mixture anatase: rutile 4:1) to capture electromagnetic radiation UV / visible and visible only in photocatalytic processes; and Cu NPs in Si solar cell for photoconversion processes, contributing with the understanding of the phenomena related to the localized ressonance energy mediated by NPs, which is still under debate in the scientific field. Composites of P25+Ag NPs of various architectures (wires, spheres and photoreduced) P25+Ag NPs coated with a layer of SiO2 and P25+Au NPs were developed. The material characterization was performed by means of UV-VIS, IR and Raman spectroscopies, BET surface area, XRD and scanning and transmission electron microscopy. The effects of plasmonic nanoparticles properties were evaluated in the photodegradation efficiency of three textile dyes (Alizarin Red S, Congo red and phenosafranine) and phenol. All plasmonic materials showed good catalytic performance, greatly increasing the kinetic and percentage of photodegradation under UV/visible, but mostly under visible light (where the photodegradation catalyzed by P25 is limited). The comparison between the photodegradation of phenol by P25+Ag sphere NPs and P25+Ag@SiO2 composite showed that the charge transfer is not the phenomenon that governs the increase in catalytic efficiency when compared to the photodegradation catalyzed by P25. The phenomenon of near field intensification through LSPR was also observed in first generation Si solar cells (wafer) containing Cu NPs immobilized on its surface. Increases in the short-circuit current density of about 8% in the region above 750 nm and up to 16% in the power of these solar cells were observed.

Orientador: Francisco das Chagas Marques / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-09-03T02:41:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 SilvaFilho_JoseMariaClementeDa_D.pdf: 74812249 bytes, checksum: 2c3eb02d615d6ec43fdb5efb29cc187b (MD5) Previous issue date: 2017 / Resumo: Perovskitas híbridas orgânica-inorgânica tem sido objeto de intensa investigação devido as suas atrativas propriedades ópticas e eletrônicas, por exemplo, banda de energia proibida direta, alto coeficiente de absorção e transporte ambipolar de cargas. Tais propriedades possibilitaram a aplicação desse material em células solares e em diodos emissores de luz de forma eficiente. Assim, o desenvolvimento de novas rotas de síntese que permitam produzir materiais com as características adequadas para cada aplicação é de extrema importância para o desenvolvimento dessa área de pesquisa. Portanto, neste trabalho de doutoramento apresentaremos resultados sobre a síntese e caraterização de filmes e nanocristais de perovskita obtidos a partir de novas metologias, baseadas na conversão de filmes finos de sulfeto de chumbo (PbS) e iodeto de chumbo (PbI2) depositados por rf-sputtering e em pontos quânticos de PbS. Na primeira rota de síntese, filmes finos amorfos de PbS, depositados por sputtering, foram convertidos em filmes finos de PbI2 através do processo de iodação em temperatura ambiente. Esse procedimento resultou em uma completa mudança estrutural, conforme atestado pelos resultados de difração de raios-x. A conversão desses filmes de PbI2 em CH3NH3PbI3 foi realizada por meio da imersão dos mesmos em uma solução de iodeto de metilamônio (CH3NH3I). Na segunda rota de síntese, filmes finos de PbI2 foram diretamente depositados por sputtering. A conversão desses filmes em CH3NH3PbI3 também foi realizada através do mergulho dos mesmo em uma solução de CH3NH3I. Esses dois métodos, permitiram-nos sintetizar filmes finos de CH3NH3PbI3 com boas propriedades ópticas e estruturais e também com uma completa cobertura do substrato, sem evidências de fissuras ou buracos, conforme indicado por microscopia eletrônica de varredura. Essas metodologias têm o potencial de abrir caminho para a produção em larga escala de células solares de CH3NH3PbI3 reprodutíveis e com alta eficiência. Como terceira rota de síntese, nanocristais de perovskita foram sintetizados utilizando pontos quânticos de PbS como precursores. Esse procedimento foi realizado através da iodação dos pontos quânticos de PbS, o que produziu nanofios de PbI2 com comprimento da ordem de 5 ?m e diâmetro de aproximadamente 200 nm. Os nanofios de PbI2 foram então convertidos em nanocristais de perovskita através de seu mergulho em uma solução de CH3NH3I, o que resultou em nanocristais de perovskita com comprimento da ordem de 5 ?m e largura de 400 nm / Abstract: Organic-inorganic hybrid perovskite has been subject of intense investigation due to their attractive optical and electronic properties, e.g., direct bandgap, high absorption coefficient and ambipolar charge transport. Such properties allowed the application of this material in solar cells and light emitting diodes efficiently. Thus, the development of new synthesis routes that allow the production of materials with the appropriate characteristics for each application is extremely important for the development of this area of research. Therefore, in this PhD work we¿ll present results on the synthesis and characterization of perovskite films and nanocrystals obtained from new methodologies, which are based on thin films of lead sulphide (PbS) and lead iodide (PbI2) deposited by rf-sputtering and on quantum dots of PbS. In the first synthesis route, amorphous PbS thin films deposited by sputtering were converted to PbI2 thin films by the iodination process at room temperature. This procedure resulted in a complete structural change, as attested by XRD measurements. The PbI2 films were converted into CH3NH3PbI3 by immersing them in a solution of methylammonium iodide (CH3NH3I). The second route consisted in depositing directly films of PbI2 by sputtering. The conversion into CH3NH3PbI3 also was performed by immersing the films in a CH3NH3I solution. These two methods allowed us to synthesize CH3NH3PbI3 thin films with good optical and structural properties and with complete substrate coverage, without evidence of cracks or holes, as verified by scanning electron microscopy images. Such methodologies have the potential to pave the way for the large-scale production of reproducible and high efficiency CH3NH3PbI3 solar cells. The third route was devoted to produce perovskite nanocrystals using PbS quantum dots as precursors. This approach was performed through iodination of PbS quantum dots. This produced PbI2 nanowires of about 5 ?m in length and 200 nm in diameter. The conversion in perovskite nanocrystals was accomplished through dip of the PbI2 nanowires into a solution of CH3NH3I. This procedure generated perovskite nanocrystals of about 5 ?m in length and 400 nm in width / Doutorado / Física / Doutor em Ciências / 165756/2014-4 / CNPQ

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.

Orientador: Paulo Roberto Bueno / Banca: Assis Vicente Benedetti / Banca: Germano Tremiliosi Filho / Banca: Neyde Yukie Murakami Iha / Banca: Sixto Giménez Juliá / Resumo: Diferentes morfologias nanoestruturadas foram estudadas por Espectroscopia de Impedância visando ampliar as suas funcionalidades em células solares. As análises realizadas em células solares sensibilizadas por corante à base de nanotubos de ZnO são reportadas. Essas células exibiram uma alta eficiência para coleta dos elétrons ao longo dos nanotubos de ~64 μm de comprimento. A Espectroscopia de Impedância Eletroquímica, a análise de potencial de circuito aberto e de conversão dos fótons incidentes em corrente elétrica foram usados para estudar o transporte e o tempo de vida das cargas elétricas durante o processo de conversão de energia. Apesar de o fotoanodo ser relativamente extenso, o tempo de extração da carga foi muito mais rápido do que o observado para nanopartículas de TiO2 tradicionais aplicados a esse tipo de célula. A coleta rápida dos elétrons é de importância prática porque permite uma alternativa ao uso do par redox convencional ( ), uma vez que a dinâmica na intercepção do elétron é mais rápida ocasionando uma significativa redução de perda na fotocorrente. Em outra frente são relatadas as análises efetuadas em células à base de TiO2 recobertas com ZrO2 e que empregam Spiro-OMeTAD como molécula condutora de buracos. Filmes mesoporosos de TiO2 recobertos com ZrO2 foram utilizados como elétrodos ativos para aplicação em células solares do estado sólido, sendo que os dispositivos foram caracterizados por Espectroscopia de Impedância Eletroquímica. A técnica de deposição de camadas atômicas de ZrO2 foi usada com o intuito de passivar os estados de aprisionamento superficiais durante o funcionamento do dispositivo. Isso foi realizado mediante o recobrimento (precisão em Angström) dos filmes mesoporosos de TiO2 com óxido de zircônio. Foi possível verificar que o recobrimento produz um aumento no desempenho geral da ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Different nanostructured anode morphologies - aiming at extending the functionality in solar cells - had been studied by Electrochemical Impedance Spectroscopy. The analyses were carried out in dye-sensitized solar cells based on ordered arrays of polycrystalline ZnO nanotubes. These cells exhibit efficient electron collection over the entire photoanode of ~64 μm length. Electrochemical Impedance Spectroscopy, open circuit photovoltage decay and incident-photon-to-current efficiency spectra are used to quantify conductivity and lifetime. Although the photoanode used is relatively long, the extraction time was faster than in traditional photoanodes based on TiO2 nanoparticles. The fast collection of electrons is of practical importance; it allows an alternative to the use of the conventional redox electrolyte ( ), because electron-interception dynamics is faster, which reduces significantly the photocurrent loss. On the other hand, solid-state dye-sensitized solar cells based on TiO2/ZrO2 core/shell nanoparticles, using a hole transport molecule named Spiro-OMeTAD, were also characterized. The atomic layer deposition technique was used with the intention of passivating the TiO2 surface with ZrO2. It was observed that the coating enhances the general performance of the photoelectrochemical cell after two ZrO2 deposition cycles. The Electrochemical Impedance Spectroscopy measurements provided evidence that the ZrO2 coating reduces recombination losses at the TiO2/Spiro-OMeTAD interface. Besides, the technique showed that the ZrO2 coating reduces the inductive effect at low frequency, this reduction being attributed to the passivation of localized surface states. Finally, results on the study of the effect of the Spiro-OMeTAD concentration (5 to 25 %) in the fabrication of solar cells, are discussed. Variations in recombination and capacitance correlate well with the ... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Neste trabalho, é apresentada uma metodologia de fabricação de transistores de filmes finos orgânicos. Foram fabricadas células solares de heterojunção de poli(3- hexiltiofeno) (P3HT) e [6,6]-fenil-C61-butirato de metila (PCBM) por apresentarem máxima conversão de potência (PCE) de cerca 5 %. Partindo de rendimentos de 10-6 até atingir 1,7 %, são mostradas as dificuldades no processamento de filmes orgânicos e na caracterização destes dispositivos. Destacam-se dentre outros, a importância da geometria dos eletrodos, da preparação da solução de blendas orgânicas e dos cuidados na utilização de substratos flexíveis (e.g. polietileno tereftalato PET). A estrutura empregada é composta por vidro, óxido de índio dopado com estanho (ITO), poli(3,4- etilenodioxitiofeno) complexado com poli(ácido estireno-sulfônico) (PEDOT:PSS), P3HT:PCBM, fluoreto de lítio (LiF) e alumínio. PET coberto por In2O3/Au/Ag em substituição ao vidro-ITO é utilizado devido à busca da indústria eletrônica por materiais alternativos de baixo custo. Estrutura semelhante é empregada para caracterização da mobilidade dos portadores de carga em filmes orgânicos. Técnicas tais como Time of Flight (ToF), Charge Extraction in Linearly Increasing Voltage (CELIV), além da interpretação de curvas estacionárias de densidade de corrente por tensão (JxV) foram empregadas para estudo de derivados de poli(para-fenileno vinileno) (PPV). Foram obtidas mobilidades de 10-810-6 cm2/Vs para modelos de corrente limitada por carga espacial (SCLC) com armadilhas rasas e profundas. Mobilidades de efeito de campo caracterizadas em TFTs bottom gate bottom contact com porta comum são pelo menos duas ordens de grandeza superiores às obtidas através das técnicas anteriormente citadas. Foram utilizados diversos substratos (e.g. silício monocristalino e vidro-ITO), dielétricos (e.g. oxinitreto de silício (SiOxNy) por PECVD e SiO2 térmico), tratamentos de superfície (e.g. vapor de hexametildissilazana HMDS), semicondutores (derivados de PPV, P3HT, pentaceno) e eletrodos (e.g. camada de aderência de titânio). Definiu-se assim uma metodologia de seleção de novos semicondutores orgânicos para a indústria eletrônica. / In this work, it is presented a methodology for organic thin-film transistor (OTFT) fabrication. Poly(3-hexylthyophene) (P3HT):[6,6]-phenyl-C61-butyric acidmethyl ester (PCBM) bulk heterojunction solar cells were studied for their maximum power conversion efficiency (PCE) around 5 %. Efficiencies evolution in time from 10-6 to 1.7 % show the difficulties involved in organic thin-film processing and device characterization. It is of remarkable importance the electrodes geometry, the organic blend solution preparation and the extra-care while processing on flexible substrates (e.g. polyethylene terephthalate PET). Devices are composed of indium tin oxide covered glass, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) doped with poly(styrene sulfonic acid) (PEDOT:PSS), P3HT:PCBM active layer, lithium fluoride (LiF) and aluminum. PET covered with In2O3/Au/Ag substituting glass-ITO was employed due to the electronic industry research for low cost alternative materials. Similar structure is used for charge carrier mobility characterization. Techniques such as Time of Flight (ToF), Charge Extraction in Linearly Increasing Voltage (CELIV), and charge transport modeling of current density vs. voltage (JxV) stationary curves were applied on semiconductors like poly(para-phenylene vinylene) (PPV) derivatives. Mobilities around 10-810-6 cm2/Vs for space charge limited current (SCLC) with shallow and deep traps were obtained. Field effect mobilities characterized in bottom gate bottom contact TFTs with common gate are at least two orders higher than previous values. During this work, it was tested different substrates (e.g. monocrystalline silicon and glass-ITO), insulators (e.g. PECVD silicon oxynitride and thermal SiO2), surface treatments (e.g. hexamethyldisilazane vapor), semiconductors (PPV derivatives, P3HT, pentacene) and electrodes (e.g. titanium adhesion layer). It was defined that way a methodology of new semiconducting material selection for the electronic industry.

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.