Avaliação do uso de nanodifusores de óxido de zinco em células fotovoltaicas de terceira geração

Abstract

Este trabalho propõe uma nova abordagem na exploração de nanopartículas (NPs) de óxido de zinco (ZnO) para melhorar o desempenho de células solares de terceira geração, com enfoque, sobretudo, em células solares orgânicas (CSOs) e células solares de perovskita (CSPs). Nanopartículas de ZnO dispersas na superfície superior do dispositivo podem atuar como nanodifusores, reduzindo a reflexão do dispositivo e aumentando a absorção da radiação solar na camada ativa fotovoltaica, pela introdução de caminhos ópticos não ortogonais no dispositivo (light pathway enhancement). O objetivo desta tese é demonstrar a contribuição dos nanodifusores de ZnO na melhoria do desempenho de células solares de terceira geração. Tal contribuição foi analisada por meio de simulações computacionais, com base no método de elementos finitos, bem como experimentalmente. Este trabalho explora modelamento óptico e elétrico de células fotovoltaicas de terceira geração com a inserção de NPs de ZnO no topo do dispositivo. Nanopartículas de ZnO, com 163 nm de diâmetro, foram sintetizadas por uma rota de síntese verde e caracterizadas. Suspensões com NPs de ZnO foram depositadas sobre o eletrodo transparente ITO (óxido de índio e estanho), a partir dos métodos de drop casting e spin coating, tendo sua resposta óptica avaliada. Neste trabalho é descrito o processo de fabricação de células solares de terceira geração (orgânica e perovskita). Os resultados para o modelamento óptico indicam que as nanoesferas de ZnO de 160 nm de diâmetro apresentam um valor médio de Albedo alto (0,88) na faixa do espectro visível, e espalham a radiação solar predominantemente na direção frontal. O uso de NPs de ZnO (160 nm de diâmetro) na superfície superior de uma célula solar orgânica pode reduzir a reflectância do dispositivo em até 95 % para λ = 530 nm, promovendo um acoplamento de luz eficiente na camada ativa da célula e simultaneamente aumentando a absorbância (26 %) do dispositivo. As contribuições de light trapping e efeito anti-reflexo melhoram a geração de fotocorrente, apresentando aumento na densidade de corrente de curto-circuito em CSOs em 27,9 %. Para células solares de perovskita, foi observado um aumento na absorbância de 32 % e uma redução na reflectância de 96 % para λ = 530 nm. A partir de substratos com o material ativo dos dispositivos foi possível demonstrar o ganho óptico induzido pelas nanoestruturas de ZnO, resultante do efeito anti-reflexo e também do espalhamento da luz. Com a deposição das NPs de ZnO sobre dispositivo de perovskita, verificou-se experimentalmente que o uso NPs de ZnO, depositadas no topo do dispositivo, induz uma melhora no desempenho (ganho de eficiência) do dispositivo fotovoltaico de 23,5 %.