Orientador: Paula Homem de Mello / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia/Química, 2013

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.

O objetivo desse estudo é analisar e sistematizar os elementos necessários à modelagem da energia primária solar para geração fotovoltaica em escala. Metodologicamente, investigam-se os assuntos inerentes à solarimetria e a caracterização da radiação solar, desde a formação das equações que definem a incidência da radiação no topo da atmosfera, o desenvolvimento tecnológico de radiômetros, até as normas e critérios de classificação desses equipamentos. Também são elementos metodológicos a caracterização do irradiância solar, incluindo algoritmos de tratamento de dados de irradiância, os processos de estimativa de irradiação para a agricultura e análises probabilísticas de índices de transmitância atmosférica. Busca-se a aplicação das etapas de caracterização e a análise do recurso, definidas neste estudo, por meio da utilização dos dados fornecidos por duas estações solarimétricas: ESUPP e ESPEL. Como resultados são definidos a média diária parcial anual de disponibilidade do recurso para uma região no interior do estado de São Paulo (localização da ESUPP) em 5,29 kWh/m² e a média diária anual de disponibilidade do recurso para a região metropolitana da cidade de São Paulo (localização da ESPEL) em 4,41 kWh/m², além disso verifica-se que a relação entre as componentes global horizontal, difusa horizontal e direta vertical varia para os dados das duas estações solarimétricas, de modo que, parte significativa dos dados da ESPEL apresenta medições de irradiância global horizontal (IGH) entre 12% e 13% superiores à respectiva componente difusa horizontal (IDH) somada a parcela vertical da respectiva componente direta normal (IDNcos?z), enquanto que, essa mesma relação para os dados da ESUPP atendem à relação IGH=IDH+IDNcos?z dentro do intervalo aceitável de mais ou menos 10%. Verifica-se também caráter trimodal das curvas de densidade de probabilidade do índice de transmitância da irradiância global para os dados da ESPEL, enquanto os dados da ESUPP refletem em curva de caráter bimodal. Assim é possível constatar a necessidade de definição de um modelo universal de previsibilidade do recurso e verifica-se que os insumos mais relevantes para o modelo podem variar de região para região dada a caracterização geográfica e de microclima. Conclui-se, portanto, a indiscutível necessidade de dados radiométricos confiáveis medidos em solo para avanços científicos, tecnológicos e comerciais do aproveitamento do recurso solar como fonte energética diante do atual contexto da busca por fontes alternativas de energia limpa e evidencia-se o grande caminho a ser percorrido para a consolidação de uma rede confiável, monitorada e amplificada de medições solarimétricas no Brasil e no mundo. / The purpose of this study is to analyze and to systematize the elements required for modeling primary solar energy for photovoltaic generation in large scale. Solarimetric subjects and subjects related to solar irradiance flux characterization, from the formation of the equations that define the incidence of radiation at the top of the atmosphere, the technologic development of radiometers and the rules and criteria for the classification of these measurement instruments, are methodologically investigated. The characterization of the irradiance flux, including irradiance data treatment algorithms, the irradiance estimate processes for agriculture, and the probability analyses of atmosphere transmittance indexes are also methodological elements. The steps of characterization and resource analysis defined in this study are applied, using data provided for two solarimetric stations: ESUPP and ESPEL. Results showed that the partial annual daily average for resource availability in the countryside of São Paulo State (ESUPP location), is 5.9 kWh/m², and the annual daily average for resource availability in the metropolitan area of São Paulo City (ESPEL location) is 4.41 kWh/m². Moreover, it was observed that the relation between the global horizontal, diffuse horizontal and direct vertical components varies between both solarimetric stations, such that a significant part of the ESPEL data shows global horizontal irradiance (GHI) between 12% and 13% above the respective diffuse horizontal irradiance (DHI) plus the vertical portion of the respective direct normal component (DNIcos?z), while the same relation for the ESUPP data attend the GHI=DHI+DNIcos?z relation within the acceptable range of 10%, give or take. ESPEL data presented trimodal characteristics for the probability density curves of the transmittance index for global irradiation, while ESUPP data reflect on the same curve, with bimodal characteristics. Therefore, it is possible to verify the need of the determination of a universal predictability model of the resource and it is possible to affirm that the more relevant inputs to the model can vary from region to region, depending on the geographic character and microclimate. In conclusion, there is an unquestionable need for reliable radiometric data, measured in ground, for scientific, technologic and commercial advances to improve the use of solar resource as energy source, considering the current scenario, which demands alternative sources for clean energy. It is also evident that there is still a long path to be tracked in order to consolidate a reliable, monitored and amplified network for solarimetric measurements in Brazil and in the world.

A geração de eletricidade fundamentada na complementariedade pelas fontes renováveis como a solar fotovoltaica distribuída, tem se tornado relevante e essencial para o fornecimento de energia elétrica no modelo atual das redes elétricas em ambientes urbanos. Porém, tendem a ser impactadas por diversos fatores, tais como sujidade, temperatura, degradação, ângulo de orientação e inclinação, bem como topografia do terreno e qualidade de fabricação do módulo. Somasse o sombreamento parcial de elementos do entorno, o qual é o principal fator que afeta a produtividade do sistema fotovoltaico. Esta tese tem como objetivo propor um método para posicionar módulos fotovoltaicos de maiores potências nominais nas regiões com maiores índices de irradiação da planta, para formar associações de módulos que iram operar em semelhantes condições de irradiação durante todo o ano e quantificar a influência da incompatibilidade elétrica devido as diferenças de fabricação dos módulos. Métodos tradicionais de simulação da estimativa de produção anual consideram módulos idênticos e não permitem importar arquivos flash test de cada módulo utilizado na planta fotovoltaica. O método proposto incluiu a análise de irradiação (sombreamento) global média diária anual de cada módulo e desenvolvimento de algoritmo em MATLAB para estudo da incompatibilidade elétrica e posicionamento. O método foi desenvolvido para um estudo de caso teórico de um estacionamento fotovoltaico com sombreamento parcial na cidade São Paulo, no qual o catálogo do módulo e os flash tests foram disponibilizados pelo fabricante. Os resultados do estudo mostram para uma associação série da planta, variação entre -1,4 e +1,2 Wp entre os valores máximos e mínimos da PMPP, indicando um desvio em relação ao valor médio de 0,57% e 0,48%, resultando uma queda da tolerância relativa à qualidade do módulo em comparação com os valores praticado nas simulações. Sendo obtida uma potência total média teórica de 5,922 kWp, enquanto que em uma ordenação aleatório teríamos uma potência total média teórica de 5,880 kWp, ou seja, -40,49 Wp (0,7%) inferior em comparação com a associação série na qual foi aplicado o algoritmo de ordenação. / The energy generation based on the complementary renewable sources as distributed photovoltaic solar energy, has become relevant and essential for current model of energy supply in the urban environment. However, tend to be impacted for several conditions whereby soiling, temperature, degradation, ground topology, orientation and tilt angle, manufacturing tolerances of photovoltaic module. In addition, the partial shading due to the surrounding elements, which is the main factor that decrease the yield of photovoltaic systems. The objective of this thesis is to propose a method to positioning the higher nominal power photovoltaic modules in the regions with higher homogeneous solar irradiance of the plant, to form a string of photovoltaic modules that will operate in a similar ambient condition during the whole year and quantify the influence of electrical mismatch due to small manufacturing differences. Traditional solar simulation tools not allow flash test dataset inputs, often modeled them as an identical devices to estimate the annual energy production. The method consists in identifying and quantifying the reduction of electrical mismatch tolerance, relating the irradiance (shading) on each photovoltaic module and propose a Matlab algorithm to study the electrical mismatch. The method was developed through a theoretical study case of a parking-integrated photovoltaic with partial shading simulated in São Paulo city for which module datasheets as well as flash test data are available. The results show that the percentage deviation of mismatch tolerance for a string of 24 modules when applied the sorting algorithm was reduced among 0.57% (1.4 Wp) and 0.48% (1.2 Wp), between the lowest and highest value of the average nominal maximum power of 245 Wp, when compared with randomly ordered of ± 2.5% (± 6 Wp). In terms of energy production for the string, these values represents an average theoretical nominal power of 5.922 kWp for sorting algorithm and 5.880 kWp considering the random ordered, which represents a PV string energy production of -40.49 Wp (0.7%) lower without the method proposed.

Neste trabalho foram estudados diferentes vidros de telureto dopados com íons de terras raras (TR) e nanopartículas (NPs) metálicas visando aplicação sobre a superfície de dispositivos fotovoltaicos. O objetivo foi utilizar os processos luminescentes de tais íons para otimizar a eficiência de conversão de energia de células solares. Os vidros de telureto foram escolhidos por apresentarem boas características ópticas, físicas e luminescência na presença de íons de terra rara e de NPs. Diferentes composições de telureto foram estudadas (TeO2-ZnO, TeO2-ZnO-Na2CO3) para observar a influência de diferentes janelas de transmissão sobre o desempenho de células solares, conciliando a máxima luminescência com a máxima transmitância do vidro. As amostras vítreas foram produzidas mediante o processo tradicional conhecido por \"melting quenching\" seguido por tratamento térmico. Os dopantes utilizados foram os íons de Tb3+, Yb3+, Eu3+ e nanopartículas de prata (NPs de Ag). Através dos mecanismos de conversão descendente apresentados por tais íons é possível converter comprimentos de onda que o dispositivo fotovoltaico não absorveria, para comprimentos compreendidos no seu \"band gap\" de forma a aumentar a eficiência da célula solar. Foram feitas caracterizações espectroscópicas de luminescência, absorbância e transmitância para caracterizar as propriedades ópticas dos vidros e microscopias para observar a forma e tamanho das NPs. Também foram feitas caracterizações elétricas de dispositivos fotovoltaicos com as amostras vítreas colocadas sobre suas superfícies, a fim de verificar influencias em suas eficiências. Observou-se que o tipo de célula solar e o tipo de sistema vítreo influenciam os resultados de eficiência para cada combinação de íons de terras raras. Ressaltam-se que foram obtidos aumentos na eficiência relativa de dispositivos fotovoltaicos comerciais fabricados em Si e GaP em 14% e 34,5%, respectivamente, com a utilização de vidros TeO2-ZnO dopados com Eu3+ e NPs de Ag. Foi utilizado óleo para acoplamento entre o vidro e a célula solar para aumentar o contato óptico, que possibilitou fazer a comparação da eficiência da célula coberta em relação à célula descoberta. Usando a célula solar de Si monocristalino foi observado aumento de 12,8% de eficiência relativa, quando coberta com vidros TeO2-ZnO dopados com Eu3+ e NPs de Ag. Os resultados apresentados neste trabalho demonstram que a utilização de processos de conversão descendente de íons de TR em vidros de telureto são promissores para incrementar a eficiência de células solares, assim como, o uso de NPs metálicas. / In this work, different tellurite glasses doped with rare earth ions and metallic nanoparticles (NPs) were studied for applications on solar cells surface. The goal was to use the luminescent processes of the rare earth ions to optimize the solar cells energy conversion efficiency. Tellurite glasses were chosen because of the good optical and physical characteristics and luminescence in the presence of rare earth ions and metallic NPs. Different tellurite compositions were studied (TeO2-ZnO, TeO2-ZnO-Na2CO3) to observe the influence of different transmission windows on the solar cell performance, conciliating maximum luminescence with the maximum transmittance of the glasses. The vitreous samples were produced using the traditional \"melting quenching\" procedure followed by heat treatment. The dopants used were Tb3+, Yb3+, Eu3+ ions and silver NPs. The purpose was to use the downconversion processes of rare earth ions to convert the wavelengths that the photovoltaic device cannot absorb into wavelengths situated in its the band gap and enhance the energy conversion efficiency. Luminescence, absorption and transmittance spectroscopic characterizations were made to determine the optical properties of the glasses and microscopic measurements were used to observe the NPs size and shape. Electrical characterizations of the photovoltaic devices were also done with the glasses placed on their surfaces to verify the influence on their energy conversion efficiencies. It was observed that the type of solar cell and the glass host influenced the results, for each rare-earth ions combination. The results obtained with TeO2-ZnO glasses doped with Eu3+ and silver NPs can be highlighted, which show efficiency increase in 14% and 34,5%, when covering Si and GaP commercial solar cells, respectively. The oil matching was used between the solar cell and the glasses in order to enhance the optical contact and to allow the comparison between the results of the covered solar cell with the uncovered solar cell. It was observed for the energy conversion efficiency enhancement of 12% when the Si solar cell was covered with the TeO2-ZnO glasses doped with Eu3+ and with silver NPs. The results presented in this work demonstrate that the use of the rare earth ions downconversion processes are promising for improving the solar cells energy conversion efficiency as well as the use of metallic NPs.

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

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.

Neste trabalho foram estudados diferentes vidros de telureto dopados com íons de terras raras (TR) e nanopartículas (NPs) metálicas visando aplicação sobre a superfície de dispositivos fotovoltaicos. O objetivo foi utilizar os processos luminescentes de tais íons para otimizar a eficiência de conversão de energia de células solares. Os vidros de telureto foram escolhidos por apresentarem boas características ópticas, físicas e luminescência na presença de íons de terra rara e de NPs. Diferentes composições de telureto foram estudadas (TeO2-ZnO, TeO2-ZnO-Na2CO3) para observar a influência de diferentes janelas de transmissão sobre o desempenho de células solares, conciliando a máxima luminescência com a máxima transmitância do vidro. As amostras vítreas foram produzidas mediante o processo tradicional conhecido por \"melting quenching\" seguido por tratamento térmico. Os dopantes utilizados foram os íons de Tb3+, Yb3+, Eu3+ e nanopartículas de prata (NPs de Ag). Através dos mecanismos de conversão descendente apresentados por tais íons é possível converter comprimentos de onda que o dispositivo fotovoltaico não absorveria, para comprimentos compreendidos no seu \"band gap\" de forma a aumentar a eficiência da célula solar. Foram feitas caracterizações espectroscópicas de luminescência, absorbância e transmitância para caracterizar as propriedades ópticas dos vidros e microscopias para observar a forma e tamanho das NPs. Também foram feitas caracterizações elétricas de dispositivos fotovoltaicos com as amostras vítreas colocadas sobre suas superfícies, a fim de verificar influencias em suas eficiências. Observou-se que o tipo de célula solar e o tipo de sistema vítreo influenciam os resultados de eficiência para cada combinação de íons de terras raras. Ressaltam-se que foram obtidos aumentos na eficiência relativa de dispositivos fotovoltaicos comerciais fabricados em Si e GaP em 14% e 34,5%, respectivamente, com a utilização de vidros TeO2-ZnO dopados com Eu3+ e NPs de Ag. Foi utilizado óleo para acoplamento entre o vidro e a célula solar para aumentar o contato óptico, que possibilitou fazer a comparação da eficiência da célula coberta em relação à célula descoberta. Usando a célula solar de Si monocristalino foi observado aumento de 12,8% de eficiência relativa, quando coberta com vidros TeO2-ZnO dopados com Eu3+ e NPs de Ag. Os resultados apresentados neste trabalho demonstram que a utilização de processos de conversão descendente de íons de TR em vidros de telureto são promissores para incrementar a eficiência de células solares, assim como, o uso de NPs metálicas. / In this work, different tellurite glasses doped with rare earth ions and metallic nanoparticles (NPs) were studied for applications on solar cells surface. The goal was to use the luminescent processes of the rare earth ions to optimize the solar cells energy conversion efficiency. Tellurite glasses were chosen because of the good optical and physical characteristics and luminescence in the presence of rare earth ions and metallic NPs. Different tellurite compositions were studied (TeO2-ZnO, TeO2-ZnO-Na2CO3) to observe the influence of different transmission windows on the solar cell performance, conciliating maximum luminescence with the maximum transmittance of the glasses. The vitreous samples were produced using the traditional \"melting quenching\" procedure followed by heat treatment. The dopants used were Tb3+, Yb3+, Eu3+ ions and silver NPs. The purpose was to use the downconversion processes of rare earth ions to convert the wavelengths that the photovoltaic device cannot absorb into wavelengths situated in its the band gap and enhance the energy conversion efficiency. Luminescence, absorption and transmittance spectroscopic characterizations were made to determine the optical properties of the glasses and microscopic measurements were used to observe the NPs size and shape. Electrical characterizations of the photovoltaic devices were also done with the glasses placed on their surfaces to verify the influence on their energy conversion efficiencies. It was observed that the type of solar cell and the glass host influenced the results, for each rare-earth ions combination. The results obtained with TeO2-ZnO glasses doped with Eu3+ and silver NPs can be highlighted, which show efficiency increase in 14% and 34,5%, when covering Si and GaP commercial solar cells, respectively. The oil matching was used between the solar cell and the glasses in order to enhance the optical contact and to allow the comparison between the results of the covered solar cell with the uncovered solar cell. It was observed for the energy conversion efficiency enhancement of 12% when the Si solar cell was covered with the TeO2-ZnO glasses doped with Eu3+ and with silver NPs. The results presented in this work demonstrate that the use of the rare earth ions downconversion processes are promising for improving the solar cells energy conversion efficiency as well as the use of metallic NPs.

El Sol proporciona a la Tierra una enorme cantidad de energía limpia. Sin embargo, para que la energía solar represente una parte importante del sistema energético mundial, se necesitan dispositivos fotovoltaicos más económicos y eficientes que los que se utilizan actualmente. Recientemente ha aparecido un nuevo diseño de célula solar, la célula solar sensibilizada de puntos cuánticos (cuyas siglas en inglés son QDSSCs), capaz de sobrepasar teóricamente el límite de Shockley-Queisser (al cual obedecen las células de primera y segunda generación). Sin embargo, el rendimiento de estos dispositivos es todavía bajo y su coste se ha visto algunas veces comprometido por el uso de ciertos materiales y procedimientos. Esta tesis trata de arrojar algo de luz sobre ciertos aspectos fundamentales que gobiernan el funcionamiento de estos dispositivos: el mecanismo de crecimiento y el modo de anclaje del elemento absorbente de luz sobre el aceptor de electrones/huecos, el empleo de capas intermedias para prevenir los procesos de recombinación en las diferentes interfases, la dinámica de los portadores de carga en el sistema donador-aceptor, etc. Además, se han investigado materiales de bajo coste y conceptos de célula muy poco explorados. Todo con el último propósito de allanar el camino para la obtención de QDSSCs económicas, estables y competitivas.

Submitted by Reginaldo Soares de Freitas (reginaldo.freitas@ufv.br) on 2017-03-13T19:13:57Z No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 16500532 bytes, checksum: 5f7ca26eade090e43e4a5f88650d7279 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-03-13T19:13:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 16500532 bytes, checksum: 5f7ca26eade090e43e4a5f88650d7279 (MD5) Previous issue date: 2016-07-15 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O telureto de cádmio (CdTe) é um semicondutor amplamente utilizado em células fotovoltaicas como principal componente para obtenção de energia limpa através da conversão de energia solar em eletricidade. Além disso, o CdTe é utilizado em sensores que atuam no infravermelho, raios X e gama. Mudanças superficiais sobre a região iluminada do CdTe, mesmo em baixas potências, foram registradas em diversas publicações. Estas mudanças tem como consequência alterações em suas propriedades elétricas e ópticas. Esse efeito fotoinduzido sobre a superfície do CdTe é relatado de forma controversa desde da década de 1980. O espectro Raman de primeira ordem do CdTe é caracterizado por duas bandas (TO ~ 140 cm-1 e LO ~ 167 cm-1). Entretanto, a região iluminada pelo laser exibe uma banda em ~ 122 cm-1, que é associado ao telúrio cristalino. Neste trabalho, o surgimento deste pico e sua evolução temporal são verificados por meio de diferentes linhas de excitação, potências e tempo de exposição. O fenômeno é caracterizado como fotoinduzido e sua evolução apresenta duas etapas distintas. Amostras com excesso de cádmio e telúrio também foram estudadas através do espalhamento Raman. A técnica de microscopia eletrônica de varredura (MEV) é utilizada na busca de maior entendimento dos mecanismos que estão por trás deste fenômeno irreversível. / The cadmium telluride (CdTe) is a semiconductor material broadly applied to photovoltaic cells as a main component to obtain clean energy by converting sunlight into electricity. In addition to this important technological application, the CdTe has also been used in the manufacture of sensors for infrared, x-rays and gamma rays. Recent works highlight changes on surfaces of the cadmium telluride and correlated materials as CdZnTe after Raman measurements due to exposure to the laser radiation even at low power. These changes are not observed by optical inspection, but they may affect the properties of technological interest of these films. This photoinduced effect on the CdTe surface has been discussed controversially way since the 80s. Usually, the 1rst order Raman spectrum of the CdTe is characterized by two well defined peaks at low energy (TO ~ 140 cm-1 and LO ~ 166 cm-1), but in the points of the samples exposed to a prolonged laser radiation exhibit a peak at ~ 122 cm-1 (associated to cristalline tellurium) which increases with exposure time. Depending on the laser power density and the exposure time, the CdTe spectrum can be saturated by the tellurium peak. In this work, the occurrence of this peak is studied by temporal evolution of the Raman spectra using different laser lines. The phenomenon is characterized as photoinduced and its evolution has two distinct steps. Samples with excessive cadmium and tellurium were also studied by Raman scattering. Scanning Electron Microscopy (SEM) are also used to support the Raman results and interpretations in order to understand the mechanisms that give rise to this irreversible phenomenon.