Desenvolvimento e avaliação de nanocompósitos híbridos baseados em grafeno e óxidos metálicos para conversão de energia solar

Resumo

A crescente demanda por fontes de energia sustentáveis tem impulsionado o avanço de tecnologias baseadas em recursos limpos e renováveis. Nesse cenário, a energia solar se destaca por ser abundante, de baixo impacto ambiental e viável em diversas regiões. Em Pernambuco, especialmente no Sertão, a alta incidência solar ao longo do ano confere ao estado um grande potencial para o uso de tecnologias fotovoltaicas em larga escala.
Dentre as abordagens emergentes nesse campo, as células solares sensibilizadas por corantes (DSSCs, do inglês, Dye-Sensitized Solar Cells) representam uma alternativa promissora às células solares tradicionais, destacando-se pela simplicidade de fabricação, menor custo e pela possibilidade de utilizar materiais ambientalmente amigáveis, nesses dispositivos, os corantes atuam como absorvedores de luz, especialmente na região do ultravioleta, substituindo os semicondutores convencionai. Além da viabilidade de produção de painéis flexíveis, destaca-se o uso de corantes naturais extraídos de fontes renováveis, como frutas e cascas de árvores, o que contribui para a sustentabilidade ambiental e redução do custo do produto final.
Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo a construção de um protótipo de meia célula DSSC utilizando nanomateriais híbridos à base de grafeno, ainda pouco explorados na literatura, com o intuito de avaliar suas propriedades fotovoltaicas. Além de suas excelentes características eletrônicas, o uso de materiais à base de grafeno também está alinhado às diretrizes de sustentabilidade, pois permite substituir elementos escassos ou tóxicos, minimizando os impactos ambientais associados tanto à produção quanto ao descarte de dispositivos solares.
Inicialmente, foi realizado um levantamento bibliográfico aprofundado para compreender o funcionamento das DSSCs e a função de cada um de seus componentes, com foco na seleção criteriosa dos materiais ativos. Entre os semicondutores avaliados, o óxido de zinco (ZnO) foi selecionado por reunir propriedades relevantes para aplicações fotovoltaicas, como boa estabilidade térmica, elevada área superficial específica, baixo custo e banda de energia em torno de 3,3 eV.
Nanopartículas de ZnO foram obtidas por síntese química, a partir do método de coprecipitação. A caracterização estrutural foi realizada por difração de raios X (DRX), que confirmou a formação da fase cristalina desejada, de estrutura hexagonal. A morfologia e a distribuição de tamanho das partículas foram analisadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV), que evidenciou partículas com morfologia regular de nanobastões, de dimensão média de 160 nm. O óxido de grafeno (GO) foi sintetizado pelo método de Hummers modificado, que está em processo de ser reduzido via química para obtenção do óxido de grafeno reduzido (rGO), visando à melhoria da condutividade elétrica. O nanocompósito rGO/ZnO a ser formado será incorporado como camada ativa na célula, desempenhando a função de transporte de elétrons entre o corante e o substrato condutor.
Para viabilizar economicamente o projeto, foram utilizadas lâminas de vidro como substrato, revestidas com o polímero condutor PEDOT:PSS, depositado por spin coating e gotejamento. A condutividade do filme está sendo otimizada por tratamento DMSO(dimetilsulfóxido) para a remoção do PSS(poli(estirenossulfonato)). Parâmetros como velocidade e tempo de rotação, número de camadas e tratamento da superfície, estão sendo avaliados para garantir uniformidade, adesão e eficiência da camada condutora.
Na etapa de sensibilização, o extrato de barbatimão (Stryphnodendron adstringens) foi inicialmente selecionado, apresentando alta absorção na região ultravioleta(UVA, UVB e UVC) do espectro, conforme análise por espectroscopia UV-Vis. Com o objetivo de estender a faixa de absorção para o visível, serão testadas misturas com outros corantes naturais, amplamente descritos na literatura, como o extrato de beterraba, permitindo análises comparativas de desempenho.
As etapas subsequentes envolverão a montagem do protótipo da meia célula DSSC e a investigação da interação entre suas camadas. Pretende-se também analisar a influência de diferentes morfologias do ZnO na eficiência do dispositivo, bem como a arquitetura das camadas do compósito. A avaliação do desempenho fotovoltaico será realizada por meio de testes eletroquímicos sob iluminação controlada, correlacionando as propriedades estruturais e morfológicas dos materiais com sua capacidade de conversão energética.