Aprenda a Fazer - Células Fotovoltaicas

Nos últimos dias estava participando de um evento de Engenharia Química do qual tenho um grande carinho, a Semana de Engenharia Química da Unicamp (14ª SEQ). Em uma de suas palestras, cujo tema era células fotovoltaicas, aprendi uma forma de produzir uma célula deste tipo utilizando poucos recursos! 

Isso mesmo! Podemos reproduzir o efeito fotoelétrico. Claro que isso é só uma amostra pequena do potencial da tecnologia de obtenção de energia elétrica através da luz solar. A geração através da radiação solar está cheia de prós e contras. Porém já existem casos  de sucesso, comprovando que este modelo de geração é uma opção extremamente válida como fonte energética apesar de ter algumas limitações. Mas isso fica para outro post, por hoje vamos aprender a fazer uma Célula de Grätzel.

Para começar vamos entender do que estamos falando. Células fotovoltaicas são peças componentes de painéis capazes de captar a energia solar e transforma-la em energia elétrica através do efeito fotoelétrico. Este efeito é observado em alguns materiais quando estes são submetidos a uma determinada frequência de luz, que  carrega energia quantizada na forma de fótons. Estes fótons colidem com o material e fornecem energia para os elétrons da camada de valência, que quando suficientemente excitados são "liberados" formando uma corrente elétrica.

¹As células geralmente são feitas de materiais semicondutores, como o silício. Porém estes materiais não apresentam um custo atrativo. Pesquisas tem sido feitas para encontrar materiais alternativos mais baratos, como, por exemplo, as células solares orgânicas, também conhecidas pela sigla DSC (Dye-Sensitized Solar Cells - células solares sensibilizadas por corantes). A célula de Grätzel é um exemplo disso.


Mãos a obra
Indo ao que interessa e objetivo do post, a construção da nossa célula !

² ³Materiais necessários para confecção da Célula:

• 2 Laminas pequenas de vidro (mais ou menos 2cm x 4cm)
• TiO2 (Dioxido de Titânio) (possível comprar em farmácias de manipulação, lojas de corantes)
• Grafite (Pode ser de um lápis)
• Corante ("Dye") - pode ser uma xícara de chá forte também
• Eletrólito (Solução de Iodo)

Podemos dividir o procedimento em 4 etapas:

1) Preparação do Eletrodo Negativo (-)
      a) Limpar as laminas de vidro com água e uma escova e depois secar com um pano ou secador;
      b) As duas laminas, preferencialmente devem ter um lado coberto por uma camada condutora de SnO2 (como alguns vidros utilizados em visores de geladeira, veja artigo). Você pode verificar o lado condutor com um multímetro, medindo a resistência elétrica do mesmo;
      c) Coloque a lamina com a superfície condutora para cima e fixe-a com uma fita adesiva;
    d) Coloque a solução/pasta de TiO2 na superfície descoberta das laminas e espalhe na superficie de modo a obter um filme fino e homogenio;
     e) Seque com um secador a solução de TiO2 até que a umidade restante tenha evaporado. 
     f) Retire a fita adesiva da lamina com cuidado e sem tocar na parte em que foi colocado o TiO2;
     g) Coloque a lamina num forno a alta temperatura, para "cozer" o filme de TiO2.

2) Preparação do Eletrodo Positivo (+) 
     a) Limpar a outra lamina de vidro com a camada condutora e transparente com água e uma escova. Após a limpeza seque com um pano ou um secador;
      b) Determine o lado condutor da lamina com o multímetro (medir a resistência);
      c) Coloque na superfície condutora da lamina de vidro uma camada de grafite com o lápis. A superfície do vidro deverá ficar escurecida.

3) Colocação da solução colorida no eletrodo negativo(-)
     a) Depois de o eletrodo negativo estar frio, é necessário "pintá-lo" com a solução colorida (chá) anteriormente preparada;
        b) Coloque o eletrodo na solução colorida de forma a cobrir completamente o eletrodo;
    c) Depois de 5 minutos retire o eletrodo da solução. O eletrodo deverá ficar com uma cor vermelho/violeta;
       d) Limpe com muito cuidado o eletrodo da solução colorida que se encontra nas bordas da lamina;
      e) Seque com o secador o eletrodo.

 4) Montagem da Célula fotovoltaica
       a) Junte os dois eletrodos, utilizando um clipes. A camada de TiO2 ativada com o corante tem que estar em contato com a camada de grafite. Para mais tarde ligar os cabos elétricos à célula fotovoltaica, é necessário montar os eletrodos desfasados;
        b) Para "ativar" a célula fotovoltaica, coloque uma gota de eletrólito na célula fotovoltaica (Solução de Iodo);

       c) Para observar o funcionamento da célula, ligue a célula ao multímetro e meça a corrente elétrica. Vai observar que a tensão vai aumentar lentamente.

Abaixo segue um esquema do funcionamento geral da célula.

 Para entender melhor como funciona a célula de Grätzel, assim como a reação por traz da geração de energia elétrica, veja o artigo publicado pela Revista Brasileira de Ensino de Física.

FONTES:  ¹ Inovação Tecnológica

                  ² Ciência Viva

                  ³ Engenharia na prática