DEPOSIÇÃO DE FILMES FINOS DE N-TiO2 PARA APLICAÇÃO EM CÉLULAS SOLARES SENSIBILIZADAS POR CORANTE
EFEITO DA DOPAGEM NA GERAÇÃO DE ESTADOS ACEITADORES DE ELÉTRONS
DOI:
https://doi.org/10.59627/cbens.2012.1840Palavras-chave:
Célula Solar Sensibilizada por Corante, TiO2 Dopado com Nitrogênio, PlasmaResumo
Nos últimos anos, a célula solar sensibilizada por corante tornou-se uma promissora tecnologia para geração de eletricidade devido ao seu baixo custo modular, fácil fabricação, estabilidade termodinâmica e eficiência global acima dos 10%. Atualmente, diversos esforços têm sido realizados a fim de aumentar a eficiência de conversão desse dispositivo onde a dopagem do TiO 2 com nitrogênio substitucional tem apresentado resultados promissores. Entretanto, apesar da dopagem substitucional aumentar os processos de fotoexcitação e, consequentemente, a fotocorrente das células solares, promove também defeitos aceitadores de elétrons tanto na estrutura cristalina do TiO2 quanto na superfície do mesmo. Assim, nesse trabalho abordaremos o efeito da incorporação de nitrogênio nos processos de fotoexcitação e na geração de estados aceitadores de elétrons em filmes finos de TiO 2 onde estudos sobre a influência desses mecanismos no princípio de funcionamento das células solares são conduzidos através da análise das características elétricas desse dispositivo. Os resultados mostram que as células construídas com filmes dopados apresentam maior fotocorrente em curto-circuito em relação à obtida com a célula convencional. Por outro lado, a célula convencional apresenta maior valor para a tensão em circuito aberto. Essas observações experimentais indicam que a incorporação de nitrogênio aumenta tanto os processos de fotoexcitação quanto os processos relacionados à corrente no escuro. Esses efeitos são causados, respectivamente, pela inserção de estados N2p acima do topo da banda de valência e pelo aumento de defeitos aceitadores elétrons. Segundo dados de XPS, os defeitos aceitadores de elétrons estão associados à presença de vacâncias de oxigênio, nitrogênio intersticial e hidroxilas adsorvidas sobre a superfície do filme. Outros estudos como a influência dos níveis de dopagem nas propriedades óticas, estruturais e químicas dos filmes depositados, bem como, a influência do grau de cristalinidade na formação de defeitos aceitadores de elétrons também são tratados nesse trabalho.
Downloads
Referências
Asahi, R., Morikawa, T., Ohwaki, T., Aoki, K., Taga, Y., 2001. Visible-light photocatalysis in nitrogen-doped titanium oxides, Science, vol. 293, n. 5528, pp. 269-271.
Berg, S., Nyberg, T., 2005. Fundamental undestanding and modeling of reactive sputtering processes, Thin Solid Films, vol. 476, n. 2, pp. 215-230.
Cha, S. I., Kim, Y., Hwang, K. H., Shin, Y.-J., Seo, S. H., Lee, D. Y., 2012. Dye-sensitized solar cells on glass paper: TCO-free highly bendable dye-sensitized solar cells inspir ed by the traditional Korean door structure, Energy Environ. Sci., vol. 5, n. 5, pp. 6071-6075.
Di Valentin, C., Pacchioni, G., Selloni, A., Livraghi, S., Giamello, E., 2005. Characterization of paramagnetic species in N-doped TiO 2 powders by EPR spectroscopy and DFT calculations, J. Phys. Chem. Lett. B, vol. 109, n. 23, pp. 11414-11419.
Duarte, D. A., Massi, M., da Silva Sobrinho, A. S., 2011. Comparison between conventional and hollow cathode magnetron sputtering systems on the growing of titanium dioxide thin films: a correlation between the gas discharge and film formation, Eur. Phys. J. Appl. Phys., vol. 54, n. 2, 20801.
Esaka, F., Furuya, K., Shimada, H., Imamura, M., Matsubayashi, N., Sato, H., Nishijima, A., Kawana, A., Ichimura, H., Kikuchi, T., 1997. Comparison of surface oxidation of titanium nitride and chromium nitride films studied by X-ray absorption and photoelectron spectroscopy, J. Vac. Sci. Technol. A, vol. 15, n. 5, pp. 2521-2528.
Fujishima, A., Zhang, X., Tryk, D. A., 2008. TiO 2 photocatalysis and related surface ph enomena, Surf. Sci. Rep., vol. 63, n. 15, pp. 515-582.
Graetzel, M., 2003. Dye-sensitized solar cells, J. Photochem. Photobiol. C: Photochem. Rev., vol. 4, n. 2 , pp. 145-153.
Granqvist, C. G., 2007. Transparent conductors as solar energy materials: A panoramic review, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, vol. 91, n. 17, pp. 1529-1598.
Heřman, D., Šícha, J., Musil, J., 2006. Magnetron sputtering of TiO xN y films, Vacuum, vol. 81, n. 3, pp. 285-290.
Hukari, K., Dannenberg, R., Stach, E. A., 2002. Nitrogen effects on crystallization kinetics of amorphous TiO xN y thin films, J. Mater. Res., vol. 17, n. 3, pp. 550-555.
Irala, D. R., Maciel, H. S., Duarte, D. A., Massi, M., da Silva Sobrinho, A. S., 2010. Influence of the nitrogen concentration on the photoinduced hydrophilicity of N-doped titanium dioxide thin films deposited by plasma sputtering, ECS Transactions, vol. 31, n. 1, pp. 109-115.
Jiang, X., Wang, Y., Pan, C., 2011. High concentration substitutional N-doped TiO 2 film: preparation, characterization and photocatalytic property. J. Am. Ceram. Soc., vol. 94, n. 11, pp. 4078-4083.
Kang, S. H., Kim, H. S., Kim, J.-Y., Sung, Y.-E., 2010. Enhanced photocurrent of nitrogen-doped TiO 2 thin film for dye-sensitized solar cells, Mater. Chem. Phys., vol. 124, n. 1, pp. 422-426.
Karuppasamy, A., Subrahmanyam, A., 2001. Studies on the room temperature growth of nanoanatase phase TiO 2 thin films by pulsed dc magnetron with oxygen as sputter gas, J. Appl. Phys., vol. 101, n. 6, 064318.
Kim, Y., Yoo, B. J., Vittal, R., Lee, Y., Park, N.-G., Kim, K.-J., 2008. Low-temperature oxygen plasma treatment of TiO 2 film for enhanced performance of dye-sensitized solar cells, J. Power Sources, vol. 175, n. 2, pp. 914-919.
Lindgren, T., Mwabora, J. M., Avendaño, E., Jonsson, J., Hoel, A. Granqvist, C.-G., Lindquist, S.-E., 2003.
Photoelectrochemical and optical properties of nitrogen doped titanium dioxide films prepared by reactive DC magnetron sputtering, J. Phys. Chem. B, vol. 107, n. 24, pp. 5709-5716.
Liu, Y., Hagfeldt, A., Xiao, X.-R., Lindquist, S.-E., 1998. Investigation of influence of redox species on the interfacial energetics of a dye-sensitized nanoporous TiO2 solar cell, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, vol. 55, n. 3, pp. 267-281.
Ma, T., Akiyama, M., Abe, E., Imai, I., 2005. High-efficiency dye-sensitized solar cell based on a nitrogen-doped nanostructured titania electrode, Nano Lett., vol. 5, n. 12, pp. 2543-2547.
Mathew, A., Rao, G. M., Munichandraiah, N., 2011. Effect of TiO 2 electrode thickness on photovoltaic properties of dye sensitized solar cell on randomly oriented titania nanotubes, Mater. Chem. Phys., vol. 127, n. 1-2, pp. 95-101.
Mohamed, S. H., Kappertz, O., Niemeier, T., Drese, R., Wakkad, M. M., Wuttig, M., 2004. Effect of heat treatment on structural, optical and mechanical properties of sputtered TiO xN y films, Thin Solid Films, vol. 468, n. 1-2, pp. 48-56.
Muscat, J., Swamy, V., Harrison, N. M., 2002. First-principle calculations of the phase stability of TiO2, Phys. Rev. B, vol. 65, n. 22, 224112.
Nakamura, I., Negishi, N., Kuts una, S., Ihara, T., Sugihara , S., Takeuchi, K., 2000. Role of oxygen vacancy in the plasma-treated TiO 2 photocatalyst with visible light activity for NO removal. J. Mol. Catal. A: Chem., vol. 161, n. 1-2, pp. 205-212.
Nejand, B. A., Sanjabi, S., Ahmadi, V., 2010. Optical and photocatalytic characteris tics of nitrogen doped TiO 2 thin film deposited by magnetron sputtering, Transaction F: Nanotechnology, vol. 17, n. 2, pp. 102-107.
O’Regan, B., Graetzel, M., 1991. A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films, Nature, vol. 353, pp. 737-740.
Park, Y. S., Kim, H.-K., 2011. The effects of annealing temperature on the characteristics of carbon counter electrodes for dye-sensitized solar cells, Curr. Appl. Phys., vol. 11, n. 4, pp. 989-994.
Prabakar, K., Takahashi, T., Nezuka, T., Takahashi, K., Nakashima, T., Kubota, Y., Fujishima, A., 2008. Visible light-active nitrogen-doped TiO 2 thin films prepared by DC magnetron sputtering used as a photocatalyst, Renewable Energy, vol. 33, n. 2, pp. 277-281.
Saha, N. C., Tompkins, H. G., 1992. Titanium nitride oxidation chemistry: An x-ray photoelectron spectroscopy study, J. Appl. Phys., vol. 72, n. 7, pp. 3072-3079.
Sakai, N., Wang, R., Fujishima, A., Watanabe, T., Hashimoto, K., 1998. Effect of ultrasonic treatment on highly hydrophilic TiO 2 surfaces. Langmuir, vol. 14, n. 20, pp. 5918-5920.
Sakai, N., Fujishima, A., Watanabe, T., Hashimoto, K., 2003. Quantitative evaluation of the photoinduced hydrophilic conversion properties of TiO 2 thin film surfaces by the reciprocal of contact angle. J. Phys. Chem. B, vol. 107, n. 4, pp. 1028-1035.
Sakai, N., Fujishima, A., Watanabe, T., Hashimoto, K., 2001, Enhancement of the photoinduced hydrophilic conversion rate of TiO2 film electrode surfaces by anodic polarization. J. Phys. Chem. B, vol. 105, n. 15, pp. 3023-3026.
Sirisuk, A., Klansorn, E., Praserthdam, P., 2008. Effects of reaction medium and crystallite size on Ti3+ surface defects in titanium dioxide nanoparticles prepared by solvothermal method, Catal. Commun., vol. 9, n. 9, pp. 1810-1814.
Spadavecchia, F., Cappelletti, G., Ardizzone, S., Ceotto, M., Falciola, L., 2011. Electronic structure of pure and N-doped TiO 2 nanocrystals by electrochemical experiments and first principles calculations. J. Phys. Chem. C, vol. 115, n. 14, pp. 6381-6391.
Thomas, A. G., Flavell, W. R., Mallick, A. K., Kumarasinghe, A. R., Tsoutsou, D, Khan, N, Chatwin, C., Rayner, S., Smith, G. C., Stockbauer, R. L., Warren, S., Johal, T. K., Patel, S., Holland, D., Taleb, A., Wiame, F., 2007.
Comparison of the electronic structure of anatase and rutile TiO 2 single-crystal surfaces using resonant photoemission and x-ray spectroscopy. Phys. Rev. B, vol. 75, n. 3, 035105.
Tian, H., Hu, L., Zhang, C., Liu, W., Huang, Y., Mo, L., Guo, L., Sheng, J., Dai, S., 2010. Retarded charge recombination in dye-sensitized nitrogen-doped TiO 2 solar cells, J. Phys. Chem. C, vol. 114, n. 3, pp. 1627-1632.
Xiong, L.B., Li, J.-L., Yang, B., Yu, Y., 2012. Ti3+ in the surface of titanium dioxide: generation, properties and photocatalytic application, J. Nanomat., 831524.
Yang, K., Dai, Y., Huang, B., 2007. Study of the nitrogen concentration influence on N-doped TiO 2 anatase from first-principles calculations, J. Phys. Chem. C, vol. 111, n. 32, pp. 12086-12090.
Yu, Y., Wu, K., Wang, D., 2011. Dye-sensitized solar cells with modified TiO 2 surface chemical states: the role of Ti 3+ , Appl. Phys. Lett., vol. 99, n. 19, 192104.
Zhou, W., Zhong, X., Wu, X., Yuan, L., Shu, Q., Li, W., Xia, Y., 2007. Low temperature deposition of nanocrystalline TiO 2 films: enhancement of nanocrystal formation by energetic particle bombardment, J. Phys. D: Appl. Phys., vol. 40, n. 1, pp. 219-226.
