{"id":4208,"date":"2016-01-29T13:12:16","date_gmt":"2016-01-29T16:12:16","guid":{"rendered":"http:\/\/sbpmat.org.br\/?p=4208"},"modified":"2016-09-22T02:10:33","modified_gmt":"2016-09-22T05:10:33","slug":"artigo-em-destaque-contribuicao-analitica-a-energia-sustentavel","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.sbpmat.org.br\/pt\/artigo-em-destaque-contribuicao-analitica-a-energia-sustentavel\/","title":{"rendered":"Artigo em destaque: Contribui\u00e7\u00e3o anal\u00edtica \u00e0 energia sustent\u00e1vel."},"content":{"rendered":"

O artigo cient\u00edfico com participa\u00e7\u00e3o de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste m\u00eas \u00e9:\u00a0<\/strong>Influence of charge carriers mobility and lifetime on the performance of bulk heterojunction organic solar cells.<\/strong>\u00a0D.J. Coutinho, G.C. Faria, D.T. Balogh, R.M. Faria. Solar Energy Materials and Solar Cells, Volume 143, Pages 503-509 (December 2015).\u00a0DOI:10.1016\/j.solmat.2015.07.047<\/p>\n

Contribui\u00e7\u00e3o anal\u00edtica \u00e0 energia sustent\u00e1vel<\/strong><\/p>\n

Um trabalho totalmente desenvolvido no Instituto de F\u00edsica de S\u00e3o Carlos, da Universidade de S\u00e3o Paulo (IFSC-USP) fez contribui\u00e7\u00f5es significativas \u00e0 an\u00e1lise do desempenho de c\u00e9lulas solares org\u00e2nicas, dispositivos capazes de transformar em eletricidade a luz do sol, que \u00e9 uma fonte de energia renov\u00e1vel, limpa, segura e praticamente inesgot\u00e1vel. Resultados do estudo foram recentemente publicados no peri\u00f3dico Solar Energy Materials & Solar Cells<\/em>, cujo fator de impacto \u00e9 de 5,337.<\/p>\n

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Composi\u00e7\u00e3o da c\u00e9lula solar de heterojun\u00e7\u00e3o de volume utilizada nos experimentos reportados no artigo. Na camada ativa, a configura\u00e7\u00e3o dos materiais aceitador (azul) e doador (vermelho) de el\u00e9trons.<\/figcaption><\/figure>\n

Com estrutura an\u00e1loga \u00e0 de um sandu\u00edche, a c\u00e9lula solar org\u00e2nica \u00e9 composta por camadas de espessura nanom\u00e9trica feitas de diversos materiais que cumprem fun\u00e7\u00f5es espec\u00edficas no dispositivo.<\/p>\n

A chamada \u201ccamada ativa\u201d, aquela que protagoniza as principais etapas da transforma\u00e7\u00e3o da luz (fluxo de f\u00f3tons) em corrente el\u00e9trica (fluxo de part\u00edculas com carga el\u00e9trica), \u00e9 feita de materiais org\u00e2nicos (suas mol\u00e9culas possuem \u00e1tomos de carbono) semicondutores. Na rede de \u00e1tomos dos semicondutores tradicionais, os el\u00e9trons situados na chamada \u201cbanda de val\u00eancia\u201d pulam de seus estados quando absorvem f\u00f3tons, deixando vagas chamadas \u201cburacos\u201d (holes<\/em>) e ocupando novos lugares na chamada \u201cbanda de condu\u00e7\u00e3o\u201d. Nos semicondutores org\u00e2nicos, o mecanismo de gera\u00e7\u00e3o dos pares el\u00e9tron-buraco \u00e9 semelhante, com a diferen\u00e7a de que, em vez da transi\u00e7\u00e3o direta de uma banda para outra, ocorre a forma\u00e7\u00e3o do \u00e9xciton molecular (um sistema contendo uma carga negativa e uma positiva), que se dissocia com facilidade produzindo as cargas livres (el\u00e9trons e buracos).<\/p>\n

Para que aconte\u00e7a a etapa seguinte na convers\u00e3o de luz em eletricidade, a camada ativa das c\u00e9lulas solares org\u00e2nicas deve possuir muitas regi\u00f5es de interface entre dois tipos de materiais: o doador e o aceitador de el\u00e9trons (geralmente um pol\u00edmero eletr\u00f4nico e um derivado do fulereno, respectivamente). Se o \u00e9xciton, em sua vida de alguns picossegundos, consegue chegar at\u00e9 alguma regi\u00e3o de interface, as for\u00e7as que mant\u00e9m el\u00e9tron e buraco unidos s\u00e3o quebradas para que aconte\u00e7a a doa\u00e7\u00e3o do el\u00e9tron pelo pol\u00edmero ao fulereno. Nesse momento, n\u00e3o havendo armadilhas no caminho que impe\u00e7am seu movimento, el\u00e9trons e buracos fluem em dire\u00e7\u00f5es opostas, atra\u00eddos e coletados por elementos eletrodos, gerando corrente el\u00e9trica que poder\u00e1 ser utilizada em um circuito externo.<\/p>\n

Nessa sucess\u00e3o de etapas, perdas de efici\u00eancia na convers\u00e3o de energia solar em el\u00e9trica podem acontecer devido a diversos fatores. Um exemplo \u00e9 a recombina\u00e7\u00e3o de el\u00e9trons e buracos depois da dissocia\u00e7\u00e3o do \u00e9xciton, a qual impede que esses transportadores de cargas fluam livremente. Outro exemplo \u00e9 o dos defeitos ou impurezas em materiais da camada ativa, que agem como armadilhas dos transportadores de cargas, diminuindo sua mobilidade.<\/p>\n

No artigo publicado na Solar Energy Materials and Solar Cells<\/em>, s\u00e3o reportados os resultados de uma s\u00e9rie de experimentos realizados com o objetivo de estudar em detalhe a mobilidade e tempo de vida de portadores de cargas (el\u00e9trons e buracos) em fun\u00e7\u00e3o da temperatura, numa c\u00e9lula solar org\u00e2nica de heterojun\u00e7\u00e3o de volume, fabricada no IFSC. Nesse tipo de dispositivo, o material doador de el\u00e9trons e o aceitador convivem numa configura\u00e7\u00e3o particular (um filme nanom\u00e9trico de estrutura bif\u00e1sica) que aumenta a \u00e1rea de interface entre os dois materiais com rela\u00e7\u00e3o a outras poss\u00edveis configura\u00e7\u00f5es.<\/p>\n

Os autores tamb\u00e9m apresentam no artigo os resultados de medidas de corrente el\u00e9trica em fun\u00e7\u00e3o da tens\u00e3o externa aplicada (J-V) sob ilumina\u00e7\u00e3o \u2013 um dos experimentos mais relevantes na caracteriza\u00e7\u00e3o de c\u00e9lulas solares. De fato, esse experimento \u00e9 necess\u00e1rio para calcular a efici\u00eancia de uma c\u00e9lula solar.<\/p>\n

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C\u00e9lula solar org\u00e2nica durante caracteriza\u00e7\u00e3o el\u00e9trica sob ilumina\u00e7\u00e3o artificial equivalente a um sol. No prot\u00f3tipo da figura acima, em uma placa de 5 X 5 cm, cinco dispositivos s\u00e3o ligados em s\u00e9rie produzindo aproximadamente 2V no total. A efici\u00eancia individual de cada dispositivo deste estudo \u00e9 em torno de 4%.<\/dd>\n
<\/figcaption><\/figure>\n

Para ajustar e analisar os resultados experimentais, os autores desenvolveram um modelo baseado num conjunto de equa\u00e7\u00f5es. O modelo veio preencher uma lacuna na literatura cient\u00edfica, j\u00e1 que, at\u00e9 sua publica\u00e7\u00e3o, essas an\u00e1lises eram feitas a partir de aproxima\u00e7\u00f5es, sendo imprecisas, ou por meio de m\u00e9todos num\u00e9ricos, que exigem \u00e1rduo e demorado trabalho.<\/p>\n

\u201cN\u00e3o existe ainda hoje uma descri\u00e7\u00e3o formal para a curva J-V\u201d, comenta Roberto Mendon\u00e7a Faria<\/a>, professor titular do IFSC-USP e autor correspondente do paper. \u201cNosso artigo teve o m\u00e9rito de elaborar uma express\u00e3o anal\u00edtica para J-V que reproduz com sucesso as caracter\u00edsticas de uma c\u00e9lula solar org\u00e2nica para o caso em que as mobilidades dos portadores positivos e negativos s\u00e3o iguais\u201d, destaca ele, acrescentando que, com essa express\u00e3o, \u00e9 poss\u00edvel fazer uma an\u00e1lise mais precisa do desempenho das c\u00e9lulas, mesmo para casos onde as mobilidades de el\u00e9trons e buracos n\u00e3o sejam exatamente iguais.<\/p>\n

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\u00c0 esquerda, Roberto Mendon\u00e7a Faria (\u00faltimo autor do artigo) e, \u00e0 direita , Douglas Jos\u00e9 Coutinho (primeiro autor).<\/figcaption><\/figure>\n

O artigo tamb\u00e9m apresenta as an\u00e1lises que a equipe do IFSC conseguiu fazer a partir dos resultados experimentais e do modelo, principalmente a respeito de alguns fatores que levam a perdas de efici\u00eancia na convers\u00e3o de luz em eletricidade.<\/p>\n

Dessa maneira, os autores do artigo fizeram uma contribui\u00e7\u00e3o ao desafio de produzir energia de modo sustent\u00e1vel. \u201cA produ\u00e7\u00e3o de energia \u00e9 vital para que a sociedade humana continue seu progresso econ\u00f4mico e social, mas n\u00e3o pode continuar com seus efeitos secund\u00e1rios, e terr\u00edveis, de poluir o planeta e contribuir ao efeito do aquecimento global\u201d, afirma Faria.<\/p>\n

Os resultados reportados no artigo fazem parte das pesquisas de mestrado e doutorado de Douglas Jos\u00e9 Coutinho<\/a>, realizadas com orienta\u00e7\u00e3o do professor Faria e com financiamento das ag\u00eancias brasileiras de apoio \u00e0 pesquisa FAPESP e CNPq (inclusive por meio do INCT de Eletr\u00f4nica Org\u00e2nica, INEO<\/a>).<\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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