Introdução #

A maior parte da energia consumida no mundo é proveniente de combustíveis fósseis que em sua combustão fornece energia e emite gases de efeito estufa responsáveis pelo aquecimento global do planeta. O relatório do Painel Intergovernamental de Mudanças Climáticas (IPCC, 2018^[1]) alerta que se o aquecimento global não for combatido a tempo pode causar extinção em massa de espécies selvagens, alterações significativas das zonas climáticas, mudança no padrão de chuvas e monções, declínio acentuado da produção de alimentos, entre outros muitos impactos.

Nesse contexto, nos próximos anos será fundamental utilizar fontes de energia renováveis que são mais limpas e ambientalmente benignas, onde se destacam as células fotovoltaicas mais conhecidas como células solares. E neste projeto aprendemos os princípios por trás do funcionamento de células solares, técnicas de caracterização e aplicação desses dispositivos.

O contexto brasileiro #

No Brasil, vêm crescendo cada vez mais a demanda elétrica, e dessa forma, o espectro de fontes energéticas do país vem se alterando, de forma que cada vez mais pode-se observar uma tendência às alternativas mais sustentáveis, movidas principalmente pelos incentivos criados pelo governo para o crescimento de fontes eólicas, solares e de biomassa no país, como pode ser observado no gráfico abaixo, retirado do Balanço Energético Nacional (BEN, 2022^[2]) do governo brasileiro.

Quando tal gráfico é comparado com os resultados do BEN 2015, demonstrado abaixo, podemos perceber quão real é o crescimento das alternativas citadas anteriormente, principalmente a eólica, que mais que triplicou no período, e a solar, que incrivelmente cresceu de apenas 0,01% do espectro nacional, para quase 2,5%. Além disso, também é relevante realçar uma leve diminuição da porcentagem de ambos os derivados de petróleo e carvão, que são fontes não renováveis e as que geram mais impactos neste espectro.

Comparação #

Além disso, também é relevante comentar quais são os principais impactos, vantagens e desvantagens das principais fontes de energia do Brasil e do Mundo. Primeiramente, pode-se iniciar com a principal fonte de energia brasileira, a Hidráulica. Além de impactos sociais gigantescos para a criação das barragens, onde muitas pessoas são afetadas, também existe um impacto ambiental gigantesco na construção de grandes hidrelétricas. O primeiro e principal problema é a perda de toda a biodiversidade na área ocupada pelas barragens, como por exemplo Itaipu, que foi responsável por inundar a cachoeira das sete caudas, ocasionando na destruição de um dos resquícios de mata atlântica da região. Além disso, pode-se colocar a erosão, depósito de sedimentos, piora na qualidade de água e afetar a vida da fauna do rio como outros impactos ambientais dessa prática.

Já considerando as principais fontes de energia não renováveis, pode-se fazer uma ressalva quanto ao maior uso do gás natural nos últimos 10 anos, que foi responsável por minimizar as emissões provenientes de fontes não renováveis, principalmente quando comparados com as emissões do óleo combustível e do diesel. Por falar nesse último, é relevante realçar um crescimento de 5,2 % na produção do biodiesel, uma alternativa muito menos poluente que o diesel comum.

Energia solar #

Agora com enfoque no tema da energia solar, como dito anteriormente, é a fonte de energia que mais cresce no país nos últimos anos. Segundo a Associação Brasileira de Energia Solar Fotovoltaica (Absolar, 2022^[3]), a fonte fotovoltaica está prestes a se tornar a segunda maior geradora de energia do Brasil, isso acontece pois tal estudo levou em conta as mais de 1,2 milhões de residências com sistemas solares instalados no país. De acordo com dados da Agência Nacional de Energia Elétrica (CNN, 2022^[4]), de janeiro até o início de outubro de 2022, a energia solar cresceu 44,4%, chegando a 20 GW. Além disso, a Absolar também estima que os investimentos nesta fonte energética já ultrapassam R$ 100 bilhões.

Apesar de suas vantagens, existem certas ressalvas que devem ser consideradas quanto à energia solar, como pode ser observado por todo o estado da Califórnia, nos Estados Unidos. De acordo com uma matéria do Los Angeles Times (Rachel Kisela, 2022^[5]), a solução californiana para seu consumo energético via painéis solares, que foi implementada há 20 anos atrás, começou a gerar seus primeiros grandes desafios agora que a vida útil de seus painéis acabou e de acordo com a matéria, muitos desses painéis agora estão sendo descartados em aterros sanitários, se tornando um grande problema ambiental para toda a Califórnia, já que esses produtos são responsáveis por possíveis contaminações por metais pesados, como o chumbo, selênio e cádmio. A reportagem ainda cita Sam Vanderhoof, especialista da indústria solar, que admite que apenas 1 em 10 painéis solares são reciclados. Dessa forma, é importante ressaltar, que se o Brasil não se preocupar com o problema do descarte atualmente, os impactos serão gigantescos e o que parecia uma solução a curto prazo, pode se tornar um problema, caso negligenciado.

Células Solares sensibilizadas por corantes #

Para o projeto do grupo, será realizado a montagem de células solares de TiO​2​​ sensibilizado por corante. “O funcionamento de uma célula solar baseia-se no efeito fotovoltaico que ocorre em materiais semicondutores. Um semicondutor caracteriza-se pela presença de elétrons com energias distintas na banda de valência (BV) e na banda de condução (BC), entre essas duas bandas existe uma banda proibida de energia ou bandgap(BG).” ( J.S. Agnaldo, J.B.V. Bastos, J.C. Cressoni e G.M. Viswanathan, 2005).

No caso do projeto do grupo, a célula solar é constituída por um fotoanodo, um contra eletrodo e um eletrólito líquido entre os eletrodos. O primeiro é preparado a partir da disposição de uma camada de TiO2 nanocristalino sob um vidro com filme condutor transparente com flúor (FTO-fluorine doped tin oxide). Esse filme é então sensibilizado pelo corante. Já o contra eletrodo é preparado através da deposição de uma fina camada de platina na superfície desse vidro condutor. Ambos são então unidos e selados com um termoplástico, onde então é inserido uma solução de eletrólito líquido com íons de I3-/ I- a partir de pequenos orifícios feitos no contra eletrodo.

Para entender melhor como funciona a conversão de luz em eletricidade, é relevante citar o estudo CÉLULAS SOLARES SENSIBILIZADAS POR CORANTES NATURAIS: UM EXPERIMENTO INTRODUTÓRIO SOBRE ENERGIA RENOVÁVEL PARA ALUNOS DE GRADUAÇÃO" (Gabriela G. Sonai, Maurício A. Melo Jr., Julia H. B. Nunes, Jackson D. Megiatto Jr. e Ana F. Nogueira, 2015).

"O princípio básico de funcionamento de uma DSSC é similar ao processo de conversão de energia realizado pelas plantas na fotossíntese, que também envolve a absorção da luz solar por um corante, a clorofila. Na DSSC sob iluminação, o corante absorve luz (Eq. 1), e no estado excitado é capaz de transferir elétrons para a banda de condução (BC) do TiO​2​​ (Eq. 2).

Excitação do corante (1): $D$ + Luz \rightarrow D​∗​​

Injeção de elétrons (2): D​∗​​+TiO​2​​→D​+​​+e​−​​ (BC do TiO​2​​)

"O corante oxidado é então regenerado através de sua redução pelos íons iodeto (I-) que juntamente com os íons triiodeto (I​3​−​​) formam o eletrólito (Eq. 3)."

Regeneração do corante (3): D​+​​+32I​−​​→D+12I​3​−​​

"Os elétrons fotogerados são então transportados pelo circuito externo, onde realizam trabalho e atingem o contra eletrodo, onde os íons triiodeto (I​3​−​​) são reduzidos a I​−​​ (Eq. 4)."

Regeneração do par redox (4): 12I​3​−​​+e​−​​(Pt)→32I​3​−​​