AVALIAÇÃO DE CORANTES PARA CÉLULAS SOLARES

Abstract

Desde que em 1991 Michael Grätzel e a sua equipa introduziram um elétrodo constituído por um filme mesoporoso de nanopartículas de TiO2 fotosensibilizado com um corante, as células solares sensibilizadas por corante DSSC aparecem como um dos métodos promissores para a futura produção de energia a partir de fontes renováveis. Embora o estudo intensivo das DSSC tenha permitido aumentar significativamente a sua eficiência ainda subsistem aspetos a ser melhorados, designadamente na seleção de corantes ambientalmente mais benignos e disponíveis. O trabalho teve como objetivo principal de identificar e avaliar potenciais compostos sintéticos, naturais e semissintéticos a serem estudados posteriormente em DSSC. Para isso, foram analisados os seguintes compostos: ftalociaina CuPcTs e porfirina TPFFS4 enquadrados como compostos sintéticos; corantes alimentares de origem natural da família das bixinas, antocianainas, betalaínas e clorofilas (NB 1289, NB 5006, NB 3027, NB 2212) e aqui referidos como naturais; e as bixinas Bix ABix e EBix, os dois últimos derivados dímeros da bixina, referidos como compostos semissintéticos. Analisou-se o comportamento cinético em relação a adsorção no filme de TiO2, quantificou-se o corante adsorvido no filme e verificou-se a estabilidade dos corantes na presença de luz e por voltametria cíclica analisou-se o comportamento das orbitais de fronteira HOMO e LUMO, onde os dados foram comparados com os dados de adquiridos pelos cálculos computacionais, através do programa Spartan´14. Estes corantes apresentaram parâmetros químico-físicos viáveis para futuro estudo de desempenho fotovoltaico. No entanto CuPcTs teve a tendência de formar agregados, mas apresentou uma maior fotoestabilidade do que TPFFS4, com isto, prevê-se que a ftalocianina poderá continuar a gerar energia elétrica mesmo após grandes períodos de incidência solar. O corante natural Bix e seu derivado semissintético ABix são menos fotoestáveis do que os macrociclos tetrapirrólicos avaliados, portanto a cinética rápida de fotodegradação do Bix e ABix poderá ser um limitante para sua aplicação em DSSCs. Vale ressaltar que no caso da ABix, a inserção do heterociclo para o acoplamento das duas unidades de Bix não deslocou a região de absorção para o vermelho, sendo um vestígio de que os porfirinóides poderão ter maior conversão de energia elétrica do que os dois compostos da classe dos carotenóides avaliados nesse trabalho. O NB 3027, foi o mais fotoestável entre os corantes naturais analisados neste trabalho.

Since in 1991 Michael Grätzel and his team introduced an electrode consisting of a mesoporous film of TiO2 nanoparticles photosensitized with a dye, dye-sensitized solar cells (DSSC) appear as one of the promising methods for the future production of energy from sources renewable. Although the intensive study of DSSCs has significantly increased their efficiency, there are still aspects to be improved, namely in the selection of more environmentally benign and available dyes. The main objective of this work was to identify and evaluate potential synthetic, natural and semi-synthetic compounds to be studied later in DSSC. For this, the following compounds were analysed: phthalocyanine CuPcTs and porphyrin TPFFS4 classified as synthetic compounds; food colorants of natural origin from the family of bixins, anthocyanins, betalains and chlorophylls (NB 1289, NB 5006, NB 3027, NB 2212) and referred herein as natural; and the bixins Bix ABix and EBix, the latter two dimer derivatives of bixin, referred to as semi-synthetic compounds.The kinetic behaviour in relation to adsorption on the TiO2 film was analysed, the dye adsorbed on the film was quantified and the stability of the dyes in the presence of light was verified. By cyclic voltammetry, the behaviour of the boundary orbitals HOMO and LUMO was analysed, and the data were compared with the data acquired by computational calculations, through the Spartan´14 program.These dyes presented viable chemical-physical parameters for future study of photovoltaic performance. However, CuPcTs tended to form aggregates, but showed greater photostability than TPFFS4, with this, it is predicted that phthalocyanine will continue to generate electricity even after long periods of sunlight. The natural dye Bix and its semi-synthetic derivative ABix are less photostable than the tetrapyrrolic macrocycles evaluated, so the rapid kinetics of photodegradation of Bix and ABix may be a limiting factor for their application in DSSC. It is worth mentioning that in the case of ABix, the insertion of the heterocycle for the coupling of the two Bix units did not shift the absorption region to the red, which is a sign that the porphyrinoids may have greater conversion of electrical energy than the two compounds of the class of carotenoids evaluated in this work. NB 3027 was the most photostable among the natural dyes analysed in this work and it also stands out in the other classes addressed. Of the four natural dyes, NB 2212 is expected to have the lowest electron injection capacity for the TiO2 conduction band.