Made available in DSpace on 2014-06-11T19:35:08Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2008-06-30Bitstream added on 2014-06-13T19:45:03Z : No. of bitstreams: 1 goncalves_as_dr_araiq.pdf: 8384691 bytes, checksum: 99f915f60f4aa419101cf4839adc9f92 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Com o objetivo de melhorar o transporte eletrônico no eletrodo nanoestruturado de ZnO, íons Ga3+ foram utilizados neste trabalho como dopantes e/ou modificadores da superfície. Nanopartículas de ZnO e ZnO:Ga 1, 3 e 5% cristalinas foram preparadas pelo método da precipitação a baixa temperatura. Nenhuma evidência da formação de ZnGa2O4, mesmo na amostra ZnO:Ga 5%, foi detectada por DRX. Dados de XPS revelaram que Ga está presente na matriz de ZnO como Ga3+. O tamanho de partícula diminuiu com o aumento na quantidade de gálio, como observado por FE-SEM, provavelmente devido a uma velocidade de hidrólise mais rápida. O menor tamanho de partícula proporcionou filmes com maior porosidade e área superficial, possibilitando uma maior quantidade de corante adsorvida. Quando estes filmes foram aplicados em células solares, o dispositivo baseado em ZnO:Ga 5% apresentou eficiência global na conversão de energia de 6% (a 10 mW cm-2), um valor três vezes maior que o observado para as células solares de ZnO neste trabalho. Este é um dos maiores valores já relatados para células solares de ZnO. Estudos por TAS da dinâmica fotoinduzida em filmes de ZnO:Ga sensibilizados revelaram um maior rendimento do cátion do corante com o aumento na quantidade de gálio, além de uma aceleração no processo de recombinação de carga. Este estudo indica que a dopagem de ZnO com íons Ga3+ possibilita um aumento na fotocorrente e eficiência global do dispositivo. O coeficiente de difusão (D) e o tempo de vida do elétron (τ) foram estudados em células solares seladas por SLIM-PCV. Em comparação às células solares de ZnO, menores valores de D e maiores valores de τ foram observados nas células solares de ZnO:Ga. O mesmo comportamento foi também observado por EIS. Em condições de densidade eletrônica equivalente, os menores valores de Voc em células solares de ZnO:Ga comparados... / In order to enhance the electron transport properties in the ZnO nanostructured electrode, Ga3+ was used in this work as the impurity ions as either surface modifiers and/or dopants. Highly crystalline ZnO and Ga-modified zinc oxide (ZnO:Ga) nanoparticles containing 1, 3, and 5 at.% of Ga3+ were prepared by the precipitation method at low temperature. No evidence of ZnGa2O4, even in the samples containing 5 at.% of Ga3+, was detected by XRD. XPS data revealed that Ga is present into the ZnO matrix as Ga3+. The particle size decreased as the gallium concentration was raised as observed by SEM, which might be related to a faster hydrolysis reaction rate. The smaller particle size provided films with higher porosity and surface area, enabling a higher dye loading. When these films were applied to DSSCs as photoelectrodes, the device based on ZnO:Ga 5 at.% presented an overall conversion efficiency of 6% (at 10 mW cm-2), a three-fold increase compared to the ZnObased DSSCs under the same condition. This is one of the highest efficiencies reported so far for ZnO-based DSSCs. The transient absorption (TAS) study of the photoinduced dynamics of dye-sensitized ZnO:Ga films showed the higher the gallium content, the higher the amount of dye cation formed, while a faster recombination dynamics was observed. The study indicates that Ga-modification of nanocrystalline ZnO leads to an improvement of photocurrent and overall efficiency in the corresponding device. The diffusion coefficient (D) and electron lifetime (τ) were studied in sealed DSSCs by SLIM-PCV. In comparison to the DSSCs based on ZnO electrodes, the ZnO:Ga-based cells provided lower D values and higher values of τ. The result was interpreted with transport limited recombination. The same behavior was also observed by EIS. At matched electron densities, a lower open-circuit voltage (Voc) of DSSCs based on ZnO:Ga was observed... (Complete abstract click electronic access below)

Orientador: Marian Rosaly Davolos / Coorientador: Ana Flávia Nogueira / Banca: Luiz Antonio Andrade de Oliveira / Banca: Fernando Aparecido Sigoli / Banca: Ivo Alexandre Hummelgen / Banca: Koiti Araki / Resumo: Com o objetivo de melhorar o transporte eletrônico no eletrodo nanoestruturado de ZnO, íons Ga3+ foram utilizados neste trabalho como dopantes e/ou modificadores da superfície. Nanopartículas de ZnO e ZnO:Ga 1, 3 e 5% cristalinas foram preparadas pelo método da precipitação a baixa temperatura. Nenhuma evidência da formação de ZnGa2O4, mesmo na amostra ZnO:Ga 5%, foi detectada por DRX. Dados de XPS revelaram que Ga está presente na matriz de ZnO como Ga3+. O tamanho de partícula diminuiu com o aumento na quantidade de gálio, como observado por FE-SEM, provavelmente devido a uma velocidade de hidrólise mais rápida. O menor tamanho de partícula proporcionou filmes com maior porosidade e área superficial, possibilitando uma maior quantidade de corante adsorvida. Quando estes filmes foram aplicados em células solares, o dispositivo baseado em ZnO:Ga 5% apresentou eficiência global na conversão de energia de 6% (a 10 mW cm-2), um valor três vezes maior que o observado para as células solares de ZnO neste trabalho. Este é um dos maiores valores já relatados para células solares de ZnO. Estudos por TAS da dinâmica fotoinduzida em filmes de ZnO:Ga sensibilizados revelaram um maior rendimento do cátion do corante com o aumento na quantidade de gálio, além de uma aceleração no processo de recombinação de carga. Este estudo indica que a dopagem de ZnO com íons Ga3+ possibilita um aumento na fotocorrente e eficiência global do dispositivo. O coeficiente de difusão (D) e o tempo de vida do elétron (τ) foram estudados em células solares seladas por SLIM-PCV. Em comparação às células solares de ZnO, menores valores de D e maiores valores de τ foram observados nas células solares de ZnO:Ga. O mesmo comportamento foi também observado por EIS. Em condições de densidade eletrônica equivalente, os menores valores de Voc em células solares de ZnO:Ga comparados... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: In order to enhance the electron transport properties in the ZnO nanostructured electrode, Ga3+ was used in this work as the impurity ions as either surface modifiers and/or dopants. Highly crystalline ZnO and Ga-modified zinc oxide (ZnO:Ga) nanoparticles containing 1, 3, and 5 at.% of Ga3+ were prepared by the precipitation method at low temperature. No evidence of ZnGa2O4, even in the samples containing 5 at.% of Ga3+, was detected by XRD. XPS data revealed that Ga is present into the ZnO matrix as Ga3+. The particle size decreased as the gallium concentration was raised as observed by SEM, which might be related to a faster hydrolysis reaction rate. The smaller particle size provided films with higher porosity and surface area, enabling a higher dye loading. When these films were applied to DSSCs as photoelectrodes, the device based on ZnO:Ga 5 at.% presented an overall conversion efficiency of 6% (at 10 mW cm-2), a three-fold increase compared to the ZnObased DSSCs under the same condition. This is one of the highest efficiencies reported so far for ZnO-based DSSCs. The transient absorption (TAS) study of the photoinduced dynamics of dye-sensitized ZnO:Ga films showed the higher the gallium content, the higher the amount of dye cation formed, while a faster recombination dynamics was observed. The study indicates that Ga-modification of nanocrystalline ZnO leads to an improvement of photocurrent and overall efficiency in the corresponding device. The diffusion coefficient (D) and electron lifetime (τ) were studied in sealed DSSCs by SLIM-PCV. In comparison to the DSSCs based on ZnO electrodes, the ZnO:Ga-based cells provided lower D values and higher values of τ. The result was interpreted with transport limited recombination. The same behavior was also observed by EIS. At matched electron densities, a lower open-circuit voltage (Voc) of DSSCs based on ZnO:Ga was observed... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

In this work, thin and compact films of TiO2, Nb2O5 and WO3 nanoparticles were prepared to be used as contact/blocking layer in dye sensitized solar cells (DSCs). The films were produced by deposition of 30 bilayers of TiO2(ac)/TiO2(bas), TiO2(ac)/Nb2O5(bas) and TiO2(ac)/WO3(bas) using the layer-by-layer technique (LbL) from nanoparticle sols of TiO2 (pH = 2 and 10), Nb2O5 (pH = 10) and WO3 (pH 10) prepared by sol-gel method. The TiO2/TiO2 and TiO2/Nb2O5 underlayers resulted in an increase of 25% and 87% respectively, in the efficiency of DSCs when compared to those without the contact/blocking layers. The application of TiO2/WO3 films did not result in any improvement of DSC efficiency. Factors such as thickness, nanoparticles homogeneity, oxides concentration on the films and roughness directly influence on the efficiency of such films as contact/blocking layer. Field Emission Scanning Electron Microscopy (FESEM) and Atomic Force Microscopy (AFM) images, confirmed that all films are constituted by spherical nanoparticles with homogeneous diameters smaller than 20 nm, resulting on compact and low porous surfaces. This morphology ensures a physical barrier between the electrolyte and the conductive glass used as electrode in DSCs. The TiO2/TiO2 and TiO2/Nb2O5 films also exhibited higher roughness than the surface of the conductive glass without the bilayers, which increases the interaction with the mesoporous TiO2 film. The molar ratios of the species present on the films are controlled by the pH employed during deposition, and were determined by X- ray photoelectron spectroscopy (XPS). The Ti4+/Nb5+ and Ti4+/W6+ ratios were 1.6 and 19 respectively, which evidences a higher concentration of TiO2 nanoparticles on the films. For a better understanding of the role of the bilayers on the charge transfer processes, the substrates were analyzed by Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS). The electronic properties of the oxides also influence the efficiency of the LbL films as contact/blocking layers. Due to its higher band gap, Nb2O5 nanoparticles impose an electronic barrier to the electrons transfer from the conductive substrate to the electrolyte, additionally to the physical barrier. / Neste trabalho foram preparados filmes finos e compactos de óxidos nanoparticulados de TiO2, Nb2O5 e WO3 para a aplicação como camada de contato/bloqueio em células solares sensibilizadas por corante (DSCs). Os filmes foram produzidos pela deposição de 30 bicamadas de TiO2(ác)/TiO2(bás), TiO2(ác/Nb2O5(bás) e TiO2(ác)/WO3(bás) utilizando a técnica de automontagem (Layer-by-Layer ou LbL), a partir dos sóis nanoparticulados de TiO2 (pH = 2 e 10), Nb2O5 (pH = 10) e WO3 (pH = 10) sintetizados pelo método sol-gel. A presença das bicamadas de TiO2/TiO2, TiO2/Nb2O5 gerou aumentos relativos na eficiência das DSCs de 25% e 87% respectivamente, quando comparadas às DSCs sem as bicamadas. Já o filme de TiO2/WO3 não gerou nenhuma melhoria na eficiência das DSCs. Fatores como a espessura, homogeneidade das nanopartículas, concentração dos óxidos nos filmes e a rugosidade influenciam diretamente na eficiência dos filmes como camada de contato/bloqueio. Imagens de Microscopia Eletrônica de Varredura com Emissão de Campo (MEV-FEG) e Microscopia de Força Atômica (MFA) confirmaram que todos os filmes apresentaram nanopartículas esféricas com diâmetros homogêneos e menores que 20 nm, o que acarreta na formação de superfícies compactas e pouco porosas. Esta morfologia garante uma barreira física entre o eletrólito e a superfície do vidro condutor utilizado como eletrodo nas DSCs. Os filmes de TiO2/TiO2 e TiO2/Nb2O5 apresentaram também rugosidades maiores que a da superfície do vidro condutor sem as bicamadas, o que aumenta a interação entre com o filme de TiO2 mesoporoso. As razões molares das espécies presentes nos filmes são controladas pelo pH empregado durante as deposições, e foram determinadas por Espectroscopia de Fotoelétrons Excitados por raios-X (XPS). As razões Ti4+/Nb5+ e Ti4+/W6+ foram de 1,6 e 19 respectivamente, o que evidencia uma maior quantidade de nanopartículas de TiO2 nos filmes. Para melhor entender o papel das bicamadas nos processos de transferência de cargas, os substratos foram analisados por Espectroscopia de Impedância Eletroquímica (EIE). As propriedades eletrônicas dos óxidos também influenciam na eficiência dos filmes automontados como camada de contato/bloqueio. Devido ao seu maior valor de band gap, as nanopartículas de Nb2O5 impõem, além de uma barreira física, uma barreira eletrônica para a transferência dos elétrons do substrato condutor para o eletrólito. / Mestre em Química