Pontos quânticos de carbono aplicados em concentradores solares luminescentes

Abstract

O aproveitamento da luz solar para a geração de energia elétrica é umas das formas mais promissoras para o suprimento da demanda energética mundial e combate as mudanças climáticas. A tecnologia fotovoltaica passou por várias melhorias nos últimos anos, porém sua integração a edificações ainda é limitada as paredes e telhados. A combinação de células fotovoltaicas com concentradores solares luminescentes permite ampliar essas aplicações, ao passo em que possibilita a geração de energia a partir de fachadas e janelas. Possuindo grande potencial de contribuição para o aumento da geração de energia na edificação. Concentradores Solares Luminescentes (CSLs) são dispositivos que utilizam um material fluorescente associado a placas de material transparente que atuam como guias ópticos. O fluoróforo absorve a radiação solar e a reemite em comprimentos mais longos, a luz reemitida é direcionada e concentrada até as bordas pela reflexão interna. Nas bordas, encontram-se células fotovoltaicas, as quais convertem a energia luminosa em elétrica. Existe uma gama de materiais que podem ser empregados como fluoróforos em CSLs, dentre estes, destaca-se os Pontos Quânticos de Carbono (PQCs), devido a suas propriedades ópticas superiores e emissão ajustável. Com base nisso, este trabalho apresenta a síntese de PQCs a partir do 1,3,6-trinitropireno (TNP) e sua aplicação em CSLs. A síntese do material foi otimizada de 24 h para 2 h, com um aumento no rendimento quântico do material em 5% (de 94,9% para 99,6%). O material obtido na condição otimizada (CD310) foi caracterizado estruturalmente e fotofisicamente. Onde, quando disperso em tolueno, apresentou picos de absorção em 292 nm e 495 nm, com emissão de fluorescência em 592 nm e um rendimento quântico elevado de 99,6%. Além disso, o material apresentou solvatocromismo, alterando sua emissão com o aumento da polaridade do solvente. Esta observação, associada as caracterizações estruturais, corrobora com a teoria de que o material é capaz de auto-organização, o que levaria a formação de nanofolhas. O CD310 foi utilizado para a construção de um CSL, o qual apresentou um PCE de 0,39%, eficiência 10 vezes superior ao CSL montado sem a adição do nanomaterial, comprovando o seu potencial como fluoróforo em CSLs.

Abstract: The use of sunlight for the generation of electrical energy is one of the most promising ways to meet the global energy demand and combat climate change. Photovoltaic technology has undergone several improvements in recent years, but its integration into buildings is still limited to walls and roofs. The combination of photovoltaic cells with luminescent solar concentrators allows for the expansion of these applications, while enabling energy generation from facades and windows, possessing a great potential to contribute to the increase in energy generation in buildings. Luminescent Solar Concentrators (LSCs) are devices that use a fluorescent material combined with transparent material plates that act as optical guides. The fluorophore absorbs solar radiation and re-emits it at longer wavelengths; the re-emitted light is directed and concentrated to the edges by internal reflection. At the edges, photovoltaic cells are found, which convert the luminous energy into electrical energy. There is a range of materials that can be employed as fluorophores in LSCs, among these, Carbon Quantum Dots (CQDs) stand out due to their superior optical properties and adjustable emission. Based on this, this work presents the synthesis of CQDs from 1,3,6-trinitropyrene (TNP) and their application in LSCs. The synthesis of the material was optimized from 24 hours to 2 hours, with an increase in the quantum yield of the material by 5% (from 94.9% to 99.6%). The material obtained under optimized conditions (CD310) was structurally and photophysically characterized. When dispersed in toluene, it showed absorption peaks at 292 nm and 495 nm, with fluorescence emission at 592 nm and a high quantum yield of 99.6%. Furthermore, the material exhibited solvatochromism, changing its emission with the increase in solvent polarity. This observation, associated with structural characterizations, supports the theory that the material is capable of self-organization, which would lead to the formation of nanosheets. CD310 was used to construct an LSC which showed a PCE of 0.39% and efficiency 10 times higher than the LSC assembled without the addition of the nanomaterial, proving its potential as a fluorophore in LSCs.