Síntese e caracterização de ZnO dopado com enxofre para aplicação em conversão de energia solar

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Silva, Everson Thiago Santos Gerôncio da, 1986-
Data de Publicação: 2010
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1612988
Resumo: Orientadores: Cláudia Longo, Fernando Aparecido Sígoli
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spelling Síntese e caracterização de ZnO dopado com enxofre para aplicação em conversão de energia solarSynthesis and characterization of sulfur-doped ZnO for application in solar energy conversionÓxido de zincoÓxido de zinco dopado com enxofreCélulas solaresFotocorrosãoCélulas solaresFotocorrosãoZinc oxideSulfur doped zinc oxideSolar cellPhotocorrosionOrientadores: Cláudia Longo, Fernando Aparecido SígoliDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de QuímicaResumo: O óxido de zinco é um semicondutor tipo-n que apresenta fotoatividade apenas sob radiação UV. Com o objetivo de aproveitar a radiação visível, investigou-se a incorporação de enxofre como dopante em amostras preparadas através da decomposição térmica de ZnS em atmosfera oxidante. O aquecimento de ZnS a 900°C por 30 minutos resultou em ZnO, um pó branco com estruttura de wurtzita, área de superfície de 6 m/g e energia de band gap Eg de 3,07 e 3,04 eV foram obtidas após 30 e 60 minutos a 620 °C; com coloração amarelada e estrutura de wurtzita, apresentaram área superficial de 17m/g. As propriedades eletroquímicas, investigadas em solução aquosa de Na2SO4 para eletrodos de filmes porosos depositados em vidro-FTO, indicaram comportamento de semicondutor tipo-n; sob irradiação com simulador solar, o potencial de circuito aberto negativo, VOC ~ -0,2 V, se manteve estável enquanto a fotocorrente positiva, inicialmente 120 mA cm, diminuiu gradativamente até 6 mA cm, diminuiu gradativamente até 6 mA cm após 4 horas sob irradiação. A baixa estabilidade pode ser atribuída à baixa adesão dos filmes no vidro-FTO e à fotocorrosão do semicondutor. Identificou-se a presença de íons Zn na solução, observou-se que a luz intensifica a dissolução dos óxidos em meio aquoso e que o ZnO é menos suscetível à fotocorrosão. Os eletrodos de ZnO e S:ZnO foram sensibilizados por corante de rutênio e utilizados na montagem de células solares. Os maiores valores de eficiência de conversão de luz em eletricidade, h, foram obtidos para células de 0,25 cm preparadas com eletrodos sensibilizados por 20 minutos e eletrólito líquido; as células de S:ZnO apresentaram corrente de curto circuito de 3,3 mA cm, VOC de 0,7 V e h ~ 1,0%, enquanto que as células de ZnO apresentaram valor similar de VOC, fotocorrente máxima de 0,76 mA/cm e h ~ 0,1%. Em comparação com as células de ZnO, a maior eficiência das células preparadas com ambas as amostras de S:ZnO pode estar relacionada à maior área de superfície e estabilidade mecânica destes filmes quando comparados aos de ZnO. Os estudos também foram realizados para células de S:ZnO preparadas sem o corante; o dispositivo apresentou VOC = 0,53 V, fotocorrente de 0,13 mA/cm e h ~ 0,04%. Embora o S:ZnO apresente Eg de 3,04 eV, com absorção em l < 410 nm, a eficiência de conversão é inferior à obtida na célula com do semicondutor sensibilizado com o corante. Os estudos revelaram que o S:ZnO pode ser utilizado em células solares, porém, devido à fotocorrosão, é necessário investigar meios para aumentar sua estabilidade para que não comprometa a durabilidade dos dispositivos para conversão de energia solarAbstract: Zinc oxide is an n-type semiconductor that shows photoactivity under UV radiation. Aiming to decrease the zinc oxide band gap and consequently shift its absorption band to visible range of the electromagnetic spectrum, this work has investigated some physical chemical properties of sulfur containing zinc oxide (S:ZnO) samples. The S:ZnO samples were prepared by thermal decomposition of ZnS in oxidizing atmosphere. The heating of ZnS at 900°C for 30 minutes resulted in ZnO, a white powder with wurtzite structure with a surface area of 6 m/g and band gap energy Eg of 3.21 eV. Samples of S:ZnO, obtained by thermal treatment at 620°C for 30 and 60 minutes, have a band gap of 3.04 and 3.07 eV, respectively, yellowish color, wurtzite structure and surface area of 17 m/g. The electrochemical properties were investigated in Na2SO4 aqueous solution for porous film electrodes deposited on FTO-glass. All samples were characterized as an n-type semiconductor; under irradiation with solar simulator. The open potential circuit is negative, VOC ~ -0.2 V and remains stable while the positive photocurrent, initially 120 mA cm, gradually decreases to 6 mA cm after 4 hours of irradiation. The low stability may be attributed to poor adherence of the films on FTO-glass and to photocorrosion of the semiconductor in aqueous medium. The photocorrosion process was confirmed by presence of Zn ion in solution after the irradiation period. It was also observed that the light enhances the dissolution of S:ZnO samples in aqueous solution and that the sulfur free ZnO is less susceptible to the photocorrossion processes. The electrodes of ZnO and S:ZnO samples were sensitized by the ruthenium dye and tested as solar cells. The highest value of conversion efficiency of the light into electricity, h, was obtained for S:ZnO (Eg = 3,04 eV) solar cell that was prepared with 0.25 cm electrodes sensitized by 20 minutes using a liquid electrolyte. Solar cells prepared with S:ZnO (Eg = 3,04 eV) shows short-circuit current of 3.3 mA/cm, VOC of 0.7 V and h ~ 1.0%, while the cells of ZnO showed similar value of VOC, the maximum photocurrent of 0.76 mA/cm and h ~ 0.1%. Compared with the cells of ZnO, the better efficiency of the cells prepared from both S:ZnO samples may be related to the higher surface area and mechanical stability of these films when compared to undoped ZnO. Studies were also conducted for S:ZnO cells prepared without the dye. The prepared device shows VOC = 0.53 V, ISC = 0.13 mA/cmof photocurrent and h ~ 0.04%. Even though the S:ZnO presents a a low band gap value (Eg = 3.04 eV) and absorption at 410 nm, the conversion efficiency is lower than that obtained in dye sensitized cells. Studies revealed that the S:ZnO can be used in solar cells, however, an improvement of its photostability is necessary in order to enhances the durability of the devices applied in conversion of solar energyMestradoFísico-QuímicaMestre em Química[s.n.]Longo, Cláudia, 1968-Sígoli, Fernando Aparecido, 1972-Pawlicka, AgnieszkaKubota, Lauro TatsuoUniversidade Estadual de Campinas (UNICAMP). 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Acesso em: 3 set. 2024.https://repositorio.unicamp.br/acervo/detalhe/774842porreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)instname:Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)instacron:UNICAMPinfo:eu-repo/semantics/openAccess2017-02-18T06:00:02Zoai::774842Biblioteca Digital de Teses e DissertaçõesPUBhttp://repositorio.unicamp.br/oai/tese/oai.aspsbubd@unicamp.bropendoar:2017-02-18T06:00:02Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) - Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)false
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