Avaliação das propriedades elétricas de filmes finos de TiO₂ dopados com nióbio

Abstract

A energia fotovoltaica (FV) é uma questão fundamental para a indústria aeroespacial em missões espaciais, como o fornecimento de energia sustentável para a Estação Espacial Internacional e balões estratosféricos. As células solares à base de silício são uma das tecnologias mais utilizadas em tais aplicações devido à sua estabilidade termodinâmica e de longo prazo para ambientes de alta irradiação solar e condições de ultra-alto vácuo. No entanto, a dependência do silício representa um desafio para países como o Brasil, que possui reservas significativas deste mineral, mas não possui tecnologia para processá-lo em silício de grau solar, tornando o produto final caro no cenário brasileiro devido à necessidade de exportar este material para refino. Para evitar este complexo ciclo de exportação-importação, como tecnologia alternativa, células solares sensibilizadas por corante (DSSCs), poderiam ser mais exploradas no Brasil, uma vez que os recursos necessários para sua produção estão disponíveis em abundância. DSSCs têm sido objeto de pesquisa há muitos anos, oferecendo um método alternativo de conversão e fornecimento de energia por meio de processos fotoeletroquímicos.Entre muitos aspectos, a funcionalidade das DSSCs depende dos materiais utilizados como eletrodo de trabalho, que também serve como componente-chave nessa tecnologia. O eletrodo de trabalho das DSSCs é geralmente composto por uma camada de dióxido de titânio (TiO2) sensibilizado por corante, previamente depositada sobre um eletrodo transparente.Este trabalho explora o uso de óxido de titânio dopado com nióbio (TNO) como suporte mecânico do corante devido à sua maior condutividade elétrica em comparação com o dióxido de titânio. Além de suas qualidades técnicas, esse material é estratégico para o cenário brasileiro, visto que o Brasil é o maior produtor mundial de nióbio e o maior produtor de TiO2 da América Latina.A busca por um processo de fabricação de baixo custo em setores industriais, visando aprimorar a colaboração científica brasileira e priorizar recursos nacionais, pode reduzir a dependência do mercado externo, sendo uma estratégia econômica e científica viável. Isso fortaleceria a autonomia tecnológica do país e estimularia o desenvolvimento nacional, alinhando-se às necessidades do Brasil em energia fotovoltaica para a indústria aeroespacial. Nesta pesquisa, conduzimos experimentos sobre a deposição de filmes de TNO por spin coating em substratos de vidro, variando as concentrações de nióbio.A solução final foi recozida em alta temperatura a vácuo por 10 min. No processo final, diferentes técnicas de espectroscopia foram utilizadas para avaliar as partículas, a topografia e a composição elementar de dois DSSCs selecionados, compostos por TNO e TiO₂, respectivamente. Adicionalmente, foi realizada a caracterização por meio de curvas I-V para avaliar o desempenho das células.

Abstract: Photovoltaics (PV) is a fundamental issue for the aerospace industry in space missions, such as providing sustainable power for the International Space Station and stratospheric balloons. Silicon-based solar cells are one of the most used technologies in such applications due to their thermodynamic and long-term stability for environments of high solar irradiation and ultra-high vacuum conditions. However, reliance on silicon poses a challenge for countries such as Brazil, which has significant reserves of this mineral but no technology to process it into solar-grade silicon, making the end product expensive in the Brazilian scenario due to the need to export this material for refining. To avoid this complex export-import cycle, alternative PV technologies such as dye-sensitized solar cells (DSSCs) could be explored more in Brazil, as the necessary resources for their production are available in the domestic market. DSSCs have been a subject of research for many years, offering an alternative method of converting and providing energy through photoelectrochemical processes. Among many aspects, the functionality of the DSSCs relies on the materials used as the working electrode, which also serves as the key component in such technology. The working electrode of DSSCs is usually composed of a dye-sensitized titanium dioxide (TiO2) layer previously deposited on a transparent electrode. In this work, we explore the use of niobium-doped titanium oxide (TNO) as the dye mechanical support due to its higher electrical conductivity in comparison with the titanium dioxide. In addition to its technical qualities, this material is strategic for the Brazilian scenario, as Brazil is the world’s largest producer of niobium and the largest producer of TiO2 in Latin America. In this context, pursuing a low-cost manufacturing process in industrial sectors, aiming to enhance the collaboration of the Brazilian scientific community and prioritizing the use of national resources in these areas can significantly reduce dependence on the foreign market, representing a viable economic and scientific strategy. This will not only strengthen the country's technological autonomy but also stimulate national development, aligning with Brazil's needs in photovoltaic energy for the aerospace industry.In this research, we conducted experiments on the deposition of TNO films by spin coating on soda-lime glass substrates at different niobium concentrations. The final solution composed of TNO was annealed at high temperature under vacuum for 10 min. In the final process, different spectroscopy techniques were used to evaluate the particles of the films, the topography, and the elemental composition of two selected DSSCs, composed respectively of TNO and TiO₂. In addition to this evaluation, a characterization was performed using I-V curves to assess the performance of the cells.