Bifacial dye-sensitized solar cells: a strategy to enhance overall efficiency based on transparent polyaniline electrode

Dye-sensitized solar cell (DSSC) is a promising solution to global energy and environmental problems because of its clean, low-cost, high efficiency, good durability, and easy fabrication. However, enhancing the efficiency of the DSSC still is an important issue. Here we devise a bifacial DSSC based on a transparent polyaniline (PANI) counter electrode (CE). Owing to the sunlight irradiation simultaneously from the front and the rear sides, more dye molecules are excited and more carriers are generated, which results in the enhancement of short-circuit current density and therefore overall conversion efficiency. The photoelectric properties of PANI can be improved by modifying with 4-aminothiophenol (4-ATP). The bifacial DSSC with 4-ATP/PANI CE achieves a light-to-electric energy conversion efficiency of 8.35%, which is increased by ,24.6% compared to the DSSC irradiated from the front only. This new concept along with promising results provides a new approach for enhancing the photovoltaic performances of solar cells.

Estudo electroquímico de compostos naturais e semicondutores com possível utilização em células foto voltaicas

As células foto voltaicas orgânicas ou células de Gräetzel (depois do seu descobridor) são aparelhos para a colecta de energia solar que utilizam um semicondutor inorgânico e uma molécula orgânica. Dita molécula orgânica é capaz de excitar-se na presença de radiação electromagnética e ceder esta energia através da doação de electrões a este semicondutor. Embora estas estruturas e o seu processo de fabrico sejam relativamente pouco onerosas, o aproveitamento da energia solar é ainda muito baixo. Para além desta deficiência, os corantes sintéticos sofrem de “bleaching” ou então são reduzidos ou oxidados facilmente quando não conseguem transferir a energia que foi absorvida ou quando é difícil voltar ao estado original por dificuldades no completamento de circulação de electrões. Neste trabalho pretende-se então estudar o comportamento de moléculas e misturas complexas de moléculas com capacidade para serem excitadas pela luz solar. Como a dita xcitação promove a transferência de um electrão, este processo será seguido pela técnica de Voltametria cíclica. Como substâncias absorventes de luz utilizaremos compostos naturais (principalmente flavonóides) puros, ou então na forma de complexos naturais extraídos de algumas plantas. Estas misturas de corantes serão extractos aquosos (infusões) de casca de laranja e limão assim como extractos de folhas de cerejeira, com o objectivo de proporcionar lternativas aos flavonóides utilizados neste estudo. A caracterização voltamétrica desta célula é feita em diferentes formas de iluminação. Sobre a célula assim formada faz-se incidir rimeiro luz de lâmpadas fluorescentes, depois luz ultra violeta e por fim sem qualquer tipo de luz incidente. Na base do fabrico da variante mais clássica destas células está o semicondutor óxido de itânio (TiO2), por ser uma substância muito comum e barata e com propriedades semicondutoras notáveis. Uma forma comum de melhorar a eficiência deste material é introduzir dopantes com o intuito de melhorar a eficiência do processo de transferência electrónica. Um segundo objectivo deste trabalho é o estudo de sistemas semicondutor/molécula foto activa. Semicondutores como ZnO, TiO2 e TiO2 dopado serão então estudados. O gels de TiO2 ou o TiO2 dopado serão depositados sobre lâminas de vidro comum, nas quais foi anteriormente depositado uma película de alumínio que serve de condutor (eléctrodo egativo). Uma outra variante será a utilização de óxido de zinco, um semicondutor de baixo custo que por sua vez vai ser depositado em lâminas de alumínio comercial. A nossa célula foto electroquímica será então formada por moléculas de corante, uma lâmina e um semicondutor (que funcionará como eléctrodo de trabalho), com ou sem electrólito/catalizador (solução de iodo/iodeto), e eléctrodos de referência de Ag/AgCl, e outro auxiliar de grafite. Um outro objectivo é fazer um pequeno estudo sobre influencia do catalisador I2/etilenodiamina no comportamento electroquímico da célula, de forma a poder utilizar o solvente (etilenodiamina) com menor volatilidade do que a água, que é empregada no par I2/I3.m A importância deste facto prende-se com a limitada vida destas células quando o electrólito/solvente é evaporado pelas altas temperaturas da radiação incidente.

Effect of the compact Ti layer on the efficiency of dye-sensitized solar cells assembled using stainless steel sheets

Titanium films have been deposited on stainless steel metal sheets using dc magnetron sputtering technique at different substrate temperatures. The structure of the titanium films strongly depend on the substrate temperature. The titanium film deposited at the substrate temperature lower than 300 ◦C has a loose flat sheet grains structure and the titanium film prepared at the substrate temperature higher than 500 ◦C has a dense nubby grains structure. The DSSC assembled using stainless steel sheet coated with titanium film deposited at high substrate temperature has a low charge transfer resistance in the TiO2/Ti interface and results in a high conversion efficiency. The DSSC assembled using stainless steel sheet coated with titanium film deposited at temperature higher than 500 ◦C has higher conversion efficiency than that assembled using titanium metal sheet as the substrate. The maximum conversion efficiency, 2.26% is obtained for DSSC assembled using stainless steel sheet coated with titanium film deposited at 700 ◦C substrate temperature, which is about 70% of the conversion efficiency of the FTO reference cell used in this study.

Avaliação do desempenho de adsorventes obtidos a partir de resíduos da indústria de curtumes na adsorção de poluentes

Na procura por uma solução de valorização dos resíduos gerados pela indústria de curtumes, o presente trabalho tem como principais objectivos a preparação de adsorventes a partir de resíduos desta actividade e a avaliação do seu desempenho na adsorção de poluentes. Para atingir este objectivo, inicialmente procedeu-se à carbonização das aparas de couro wet-white à temperatura de 800 ºC. Seguidamente, os carbonizados foram activados por activação química, tendo sido o hidróxido de potássio o agente activante escolhido. As razões mássicas hidróxido de potássio:precursor usadas na impregnação, foram iguais a 0,5:1 e 1:1. Para a razão 0,5:1, as temperaturas de activação escolhidas foram 700 e 800 ºC. Para a razão de impregnação 1:1, as temperaturas de activação usadas foram 700, 800 e 900 ºC. Para uma avaliação preliminar da capacidade de adsorção dos carvões activados produzidos, efectuou-se a determinação do número de azul de metileno. Este teste provou serem as amostras activadas a 900 ºC as que apresentaram melhores resultados (número de azul de metileno: 24g/100g) e as amostras activadas a 700 ºC, as que apresentaram menor capacidade de adsorção (1g/100g, para a razão de 0,5:1 e 7g/100g, para a razão de 1:1). Verificou-se também que amostras preparadas com iguais condições de activação (temperatura de activação e razão de impregnação), mas produzidas a partir de carbonizado de diferentes granulometrias, apresentaram diferentes desempenhos na adsorção de azul de metileno. As propriedades texturais dos carvões activados produzidos foram obtidas pela determinação das isotérmicas de adsorção de azoto a 77 K. Para tal, selecionaram-se quatro amostras: dois carvões activados a 800 ºC, com uma razão de impregnação de 1:1 e dois carvões activados a 900 ºC, com a mesma razão de impregnação, obtidos a partir de carbonizados com diferentes granulometrias. As isotérmicas obtidas são características de materiais essencialmente microporosos, com mesoporos e macroporos. Verificou-se também que a granulometria do precursor carbonizado influencia as propriedades texturais dos carvões activados produzidos. Para as temperaturas de activação usadas, 800 e 900 ºC, os carvões activados preparados a partir de carbonizado de menor granulometria apresentam melhores propriedades texturais. O carvão activado que apresentou maior área superficial específica foi obtido a 900 ºC, a partir de carbonizado finamente moído (SBET = 1475 m2/g). Determinadas as propriedades texturais dos carvões activados produzidos, realizaram-se ensaios de adsorção do corante CORIACIDE DARK BROWN VR, usado na indústria de curtumes com um carvão activado produzido no âmbito deste trabalho e com um carvão activado comercial NORIT ROW 0,8. A amostra de carvão activado produzida a partir de resíduos de wet-white escolhida para estes ensaios foi o carvão activado a 800 ºC, à razão de 1:1, a partir de carbonizado finamente moído (ww_800_1:1_carb.moído). Verificou-se que as quantidades adsorvidas pela amostra ww_800_1:1_carb.moído variaram entre os valores 7,47 e 32,07 mgcorante/gcarvão activado. Quanto ao carvão activado comercial, as quantidades adsorvidas situaram-se entre 8,95 e 69,13 mgcorante/gcarvão activado. Assim, conclui-se que o carvão activado comercial apresentou melhor desempenho na adsorção do corante da indústria de curtumes. Os carvões activados obtidos revelaram-se materiais essencialmente microporosos, com capacidade de adsorção de poluentes, como por exemplo corantes, no entanto o seu desempenho seria mais eficaz na adsorção de pequenas moléculas devido ao elevado volume de microporos que apresentaram.

Structural modification of TiO2 nanorod films with an influence on the photovoltaic efficiency of a dye-sensitized solar cell (DSSC).

TiO2 nanorod films have been deposited on ITO substrates by dc reactive magnetron sputtering technique. The structures of these nanorod films were modified by the variation of the oxygen pressure during the sputtering process. Although all these TiO2 nanorod films deposited at different oxygen pressures show an anatase structure, the orientation of the nanorod films varies with the oxygen pressure. Only a very weak (101) diffraction peak can be observed for the TiO2 nanorod film prepared at low oxygen pressure. However, as the oxygen pressure is increased, the (220) diffraction peak appears and the intensity of this diffraction peak is increased with the oxygen pressure. The results of the SEM show that these TiO2 nanorods are perpendicular to the ITO substrate. At low oxygen pressure, these sputtered TiO2 nanorods stick together and have a dense structure. As the oxygen pressure is increased, these sputtered TiO2 nanorods get separated gradually and have a porous structure. The optical transmittance of these TiO2 nanorod films has been measured and then fitted by OJL model. The porosities of the TiO2 nanorod films have been calculated. The TiO2 nanorod film prepared at high oxygen pressure shows a high porosity. The dye-sensitized solar cells (DSSCs) have been assembled using these TiO2 nanorod films prepared at different oxygen pressures as photoelectrode. The optimum performance was achieved for the DSSC using the TiO2 nanorod film with the highest (220) diffraction peak and the highest porosity.

Adsorption kinetics of removal of yellow lanasol dyestuff using gallinaceous feathers

Gallinaceous feathers are an abundant solid waste from the poultry processing industries, which poses disposal problems. A kinetic study dealing with the adsorption process of wool reactive dye, Yellow Lanasol 4G (CI Reactive Yellow 39), on gallinaceous (Gallus gallus, Cobb 500) feathers was carried out. The main research goals of this work were to evaluate the viability of using this waste as adsorbent and to study the kinetics of the adsorption process, using a synthetic effluent. The characterization of feathers was performed by scanning electron microscopy, mercury porosimetry and B.E.T. method. The study of several factors (stirring, particles size, initial dye concentration and temperature) showed their influence over the adsorption process. An adapted version of the Schumckler and Goldstein´s unreacted core model fitted the experimental data. The best fit was obtained when the rate-limiting step was the diffusion through the reacted layer, which was expected considering the size of the dyestuff molecules. The comparison with the granular activated carbon (GAC) Sutcliffe GAC 10-30 indicate that in spite of the high adsorption capacities shown by feathers the GAC presented higher values, the values obtained were respectively 150 and 219 mg g-1, for an initial concentration of 500 mg L-1. The results obtained might open future perspectives both to the valorization of feathers and to the economical treatment of textile wastewaters.

Growth of the [110] oriented TiO2 nanorods on ITO substrates by sputtering technique for dye-sensitized solar cells

TiO2 films have been deposited on ITO substrates by dc reactive magnetron sputtering technique. It has been found that the sputtering pressure is a very important parameter for the structure of the deposited TiO2 films. When the pressure is lower than 1 Pa, the deposited has a dense structure and shows a preferred orientation along the [101] direction. However, the nanorod structure has been obtained as the sputtering pressure is higher than 1 Pa. These nanorods structure TiO2 film shows a preferred orientation along the [110] direction. The x-ray diffraction and the Raman scattering measurements show both the dense and the nanostructure TiO2 films have only an anatase phase, no other phase has been obtained. The results of the SEM show that these TiO2 nanorods are perpendicular to the ITO substrate. The TEM measurement shows that the nanorods have a very rough surface. The dye-sensitized solar cells (DSSCs) have been assembled using these TiO2 nanorod films prepared at different sputtering pressures as photoelectrode. And the effect of the sputtering pressure on the properties of the photoelectric conversion of the DSSCs has been studied.

Preparation and characterization of dye-sensitized TiO2 nanorod solar cells

TiO2 nanorodswere prepared by DC reactive magnetron sputtering technique and applied to dye-sensitized solar cells (DSSCs). The length of the TiO2 nanorods was varied from 1 μm to 6 μm. The scanning electronmicroscopy images showthat the nanorods are perpendicular to the substrate. Both the X-ray diffraction patterns and Raman scattering results show that the nanorods have an anatase phase; no other phase has been observed. (101) and the (220) diffraction peaks have been observed for the TiO2 nanorods. The (101) diffraction peak intensity remained constant despite the increase of nanorod length, while the intensity of the (220) diffraction peak increased almost linearly with the nanorod length. These nanorods were used as the working electrodes in DSSCs and the effect of the nanorod length on the conversion efficiency has been studied. An optimumphotoelectric conversion efficiency of 4.8% has been achieved for 4 μm length nanorods.