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

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

Orientador: Paulo Noronha Lisboa Filho / Banca: Caue Ribeiro de Oliveira / Banca: Cyro Ketzer Saul / O Programa de Pós Graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais, PosMat, tem caráter insitucional e integra as atividades de pesquisa em materiais de diversos campi / Resumo: As alterações climáticas, em grande parte, proveniente da emissão de CO2 derivado da queima de combustíveis fósseis para produção de energia, têm incentivado a pesquisa e o desenvolvimento de novas fontes alternativas de energia menos pulentes e que produzam pouco impacto ambiental. Uma das alternativas energéticas mais promissoras é a energia gerada pelo sol, principalmente em países onde há um alto índice de incidência de radiação solar. O óxido de zinco (ZnO) apresenta transmitância óptica na região do visível acima de 80% e baixa resistividade elétrica. Este material tem sido estudado como candidato para substituir o In2O3:Sn (ITO) em aplicações como eletrodos de células solares, pois além de ser economicamente viável, é atóxico e possui alta estabilidade química. Neste trabalho filmes finos de ZnO puro foram depositados pelas técnicas de spin, dip-coating e evaporação por feixe de elétrons (EBE). As resinas precursoras de ZnO foram sintetizadas pelo método dos precursores poliméricos utilizando diferentes precursores de Zn (acetato, óxido ou nitrato de zinco), com a finalidade de investigar as propriedades estruturais e ópticas dos filmes finos de ZnO preparado por diferentes técnicas e diferentes precursores. Os filmes foram caracterizados por difração de raios-X (DRX), medidas de espectro na região do UV-vi e microscopia de força atômica (AFM). Todas as amostras obtidas através das diferentes técnicas de deposição apresentaram alto grau de transmitância óptica (80%) e o mesmo valor de energia de gap (3,28 e V). Também foram obtidas amostras na forma de pó, sintetizado com os três diferentes precursores, visando um estudo aprofundado da influência do precursor utilizado nas propriedades do material. As amostras foram caracterizadas por difração de raios X, análises... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Climate changes are mainly due to the increasing CO2 atmospheric concentration caused by the burning of fossils fuels. In this context, researh and development of alternative sources of renewable energy have been encouraged for energy production. One of most promising alternative for energy production is Solar Energy, especially in countries with high incidence of solar radiation. Zinc oxide thin films usually have high transmittance in the visible range and low resistivity. This material has been studied as a candidate to replace In2O3:Sn(ITO) in applications such as electrodes in solar cells due of the righ cost of indium and its limited availability. Furthermore ZnO is chemically stable and non-toxic. In this work undoped zinc oxide thin films were deposited by the techniques of spin-coating, dip-coating and Electron beam evaporation (EBE). Resins of ZnO were synthesized by the polymeric precursor method using different zinc precursors (zinc acetate, oxide or nitrate) in order to study the structural and optical properties of thin films prepared by different techniques and using different precursors. The prepared samples were characterized by X-ray diffraction measurements (XRD), UV-vis spectra, and atomic force microscopy (AFM). All samples prepared by different deposition techiniques present transmition larger than 80% in the visble range and band gap of 3,28 eV. Also were obtained powder or ZnO synthesized using three different precursor in order to study the influence of precursor utilized in properties of material. The powder were characterized by X-ray diffraction (XRD), photoluminescence (PL) spectroscopy, field emission scanning microscopy (FE-SEM), thermogravimetry (TG) and differential thermal analysis (DTA). Through these characterization techniques it was showed that the polymeric precursor... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre