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

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

The efforts addressed in this thesis refer to assaying the degradations in modern solar cells used in space-borne and/or nuclear environment applications. This study is motivated to address the following: 1. Modeling degradations in Si pn-junction solar cells (devices-under-test or DUTs) under different ionizing radiation dosages 2. Preemptive and predictive testing to determine the aforesaid degradations that decide eventual reliability of the DUTs; and 3. Using electrical overstressing (EOS) to emulate the fluence of ionizing radiation dosage on the DUT. Relevant analytical methods, computational efforts and experimental studies are described. Forward/reverse characteristics as well as ac impedance performance of a set of DUTs under pre- and post- electrical overstressings are evaluated. Change in observed DUT characteristics are correlated to equivalent ionizing-radiation dosages. The results are compiled and cause-effect considerations are discussed. Conclusions are enumerated and inferences are made with direction for future studies. / by George A. Thengum Pallil. / Thesis (M.S.C.S.)--Florida Atlantic University, 2010. / Includes bibliography. / Electronic reproduction. Boca Raton, Fla., 2010. Mode of access: World Wide Web.

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

Thesis advisor: Michael J. Naughton / Surface plasmon polaritons (SPPs) are hybridized quasiparticles of photons and electron density waves. They are confined to propagate along metal-dielectric interfaces, and decay exponentially along the direction perpendicular to the interfaces. In the past two decades, SPPs have drawn intensive attention and undergone rapid development due to their potential for application in a vast range of fields, including but not limited to subwavelength imaging, biochemical/biomedical sensing, enhanced light trapping for solar cells, and plasmonic logic gates. These applications utilize the following intrinsic properties of SPPs: (1) the wavelength of SPPs is shorter (and can be much shorter) than that of free photons with the same frequency; (2) the local electric field intensity associated with SPPs can be orders of magnitude larger than that of free photons; and (3) SPPs are bound to metal surfaces, and are thus easily modulated by the geometry of those surfaces. Here, we present studies on SPPs along metal surfaces with novel structures, including the following: (1) SPP standing waves formed along circular metal surfaces that lead to a "plasmonic halo" effect; (2) directional reflectionless conversion between free photons and SPPs in asymmetric metal-insulator-metal arrays; and (3) broadband absorbance enhancement of embedded metallic nanopatterns in a photovoltaic absorber layer. These works may prove useful for new schemes for SPP generation, plasmon-photon modulation, ultrasensitive dielectric/bio sensing, and high efficiency thin film solar cells. / Thesis (PhD) — Boston College, 2014. / Submitted to: Boston College. Graduate School of Arts and Sciences. / Discipline: Physics.

Nesse trabalho foram obtidos nanotubos de TiO2 pelo processo de anodização do titânio em soluções fluoradas visando sua aplicação em células solares, pois estes apresentam melhores propriedades que o TiO2 em forma de filme fino ou de nanopartículas, devido a sua maior área superficial e melhores propriedades de transporte de carga. Os processos de anodização foram realizados em lâminas de titânio com soluções de HF e NH4F e diferentes tensões e tempos de anodização, pois a tensão elétrica aplicada no processo pode ser utilizada para controlar o diâmetro, espessura e comprimento dos nanotubos. As amostras obtidas com as soluções de NH4F foram as que apresentaram os melhores resultados, com tubos de paredes mais lisas, comprimentos maiores e forma mais definida, pois as soluções de NH4F apresentam menor taxa de corrosão que as soluções de HF. Portanto, nesse trabalho as soluções de NH4F também foram utilizadas para crescer nanotubos sobre substratos de vidro, onde foi possível obter matrizes de nanotubos altamente ordenadas, e formar matrizes de nanotubos com padrões geométricos, para aplicação em células solares, sensores integráveis e cristais fotônicos. Porém nesse trabalho, os nanotubos foram utilizados somente para fabricar as células solares sensibilizadas por corante. Foram produzidas células solares utilizando lâminas de vidro cobertas por ITO e FTO, lâminas de titânio sem polimento, lâminas de Ti eletropolidas e também lâminas polidas utilizando polimento químico. Os processos de eletropolimento e polimento químico foram realizados para a obtenção de matrizes de nanotubos mais uniformes e células solares mais eficientes, utilizando esses processos foi possível obter células solares com curvas de J - V bem definidas e com fator de preenchimento (FF) de 0,5. / In this work TiO2 nanotube arrays were obtained by anodization of titanium foils in fluoride-based electrolytes, aiming their application in solar cells, due to its improved proprieties compared to TiO2 thin films or nanoparticles as a consequence of their large surface area and good electron transport. The anodization processes were performed utilizing HF and NH4F solutions with different anodization voltages and times, in order to study the effect of these parameters in the arrays morphology and structure. The samples obtained from NH4F solutions presented better results, with nanotubes exhibiting smoother walls, enhanced length and well defined shape, due to the lower NH4F solution etching rate compared to HF solution. Therefore the NH4F solutions were also utilized to grow nanotubes on glass substrates, allowing to obtain highly oriented of nanotubes arrays. Also patterned nanotube arrays were obtained for integrated sensors and photonic crystals applications. However, in this work, the nanotubes were only used to manufacture the dye sensitized solar cells. Were performed solar cells with glass substrates coating by thin films of ITO and FTO, unpolished titanium foils, eletropolished Ti foils and chemical polished Ti foils. The eletropolishing and chemical polishing process was performed to obtain more uniform nanotube arrays and more efficient solar cells, with well defined J-V curve and FF of 0,5.

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.

Solar energy has the potential to meet all of society’s energy demands, but challenges remain in storing it for times when the sun is not shining. Electrolysis is a promising means of energy storage which applies solar-derived electricity to drive the production of chemical fuels. These so-called solar fuels, such as hydrogen gas produced from water electrolysis, can be fed back to the grid for electricity generation or used directly as a fuel in the transportation sector. Solar fuels can be generated by coupling a photovoltaic (PV) cell to an electrolyzer, or by directly converting light to chemical energy using a photoelectrochemical cell (PEC). Presently, both PV-electrolyzers and PECs have prohibitively high capital costs which prevent them from generating hydrogen at competitive prices. This dissertation explores the design of membraneless electrolyzers and PECs in order to simplify their design and decrease their overall capital costs. A membraneless water electrolyzer can operate with as few as three components: A cathode for the hydrogen evolution reaction, an anode for the oxygen evolution reaction, and a chassis for managing the flows of a liquid electrolyte and the product gas streams. Absent from this device is an ionically conducting membrane, a key component in a conventional polymer electrolyte membrane (PEM) electrolyzer that typically serves as a physical barrier for separating product gases generated at the anode and cathode. These membranes can allow for compact and efficient electrolyzer designs, but are prone to degradation and failure if exposed to impurities in the electrolyte. A membraneless electrolyzer has the opportunity to reduce capital costs and operate in non-pristine environments, but little is known about the performance limitations and design rules that govern operation of membraneless electrolyzers. These design rules require a thorough understanding of the thermodynamics, kinetics, and transport processes in electrochemical systems. In Chapter 2, these concepts are reviewed and a framework is provided to guide the continuum scale modeling of the performance of membraneless electrochemical cells. Afterwards, three different studies are presented which combine experiment and theory to demonstrate the mechanisms of product transport and efficiency loss. Chapter 3 investigates the dynamics of hydrogen bubbles during operation of a membraneless electrolyzer, which can strongly affect the product purity of the collected hydrogen. High-speed video imaging was implemented to quantify the size and position of hydrogen gas bubbles as they detach from porous mesh electrodes. The total hydrogen detected was compared to the theoretical value predicted by Faraday’s law. This analysis confirmed that not all electrochemically generated hydrogen enters the gas phase at the cathode surface. In fact, significant quantities of hydrogen remain dissolved in solution, and can result in lower product collection efficiencies. Differences in bubble volume fraction evolved along the length of the cathode reflect differences in the local current densities, and were found to be in agreement with the primary current distribution. Overall, this study demonstrates the ability to use in-situ HSV to quantitatively evaluate key performance metrics of membraneless electrolyzers in a non-invasive manner. This technique can be of great value for future experiments, where statistical analysis of bubble sizes and positions can provide information on how to collect hydrogen at maximum purity. Chapter 4 presents an electrode design where selective placement of the electrocatalyst is shown to enhance the purity of hydrogen collected. These “asymmetric electrodes” were prepared by coating only one planar face of a porous titanium mesh electrode with platinum electrocatalyst. For an opposing pair of electrodes, the platinum coated surface faces outwards such that the electrochemically generated bubbles nucleate and grow on the outside while ions conduct through the void spacing in the mesh and across the inter-electrode gap. A key metric used in evaluating the performance of membraneless electrolyzers is the hydrogen cross-over percentage, which is defined as the fraction of electrochemically generated hydrogen that is collected in the headspace over the oxygen-evolving anode. When compared to the performance of symmetric electrodes – electrodes coated on both faces with platinum – the asymmetric electrodes demonstrated significantly lower rates of cross-over. With optimization, asymmetric electrodes were able to achieve hydrogen cross-over values as low as 1%. These electrodes were then incorporated into a floating photovoltaic electrolysis device for a direct demonstration of solar driven electrolysis. The assembled “solar fuels rig” was allowed to float in a reservoir of 0.5 M sulfuric acid under a light source calibrated to simulate sunlight, and a solar to hydrogen efficiency of 5.3% was observed. In Chapter 5, the design principles for membraneless electrolyzers were applied to a photoelectrochemical (PEC) cell. Whereas an electrolyzer is externally powered by electricity, a PEC cell can directly harvest light to drive an electrochemical reaction. The PEC reactor was based on a parallel plate design, where the current was demonstrated to be limited by the intensity of light and the concentration of the electrolyte. By increasing the average flow rate of the electrolyte, mass transport limitations could be alleviated. The limiting current density was compared to theoretical values based off of the solution to a convection-diffusion problem. This modeled solution was used to predict the limitations to PEC performance in scaled up designs, where solar concentration mirrors could increase the total current density. The mass transport limitations of a PEC flow cell are also highly relevant to the study of CO2 reduction, where the solubility limit of CO2 in aqueous electrolyte can also limit performance.

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.

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