WO2024059924A1 - Célula fotovoltaica, uso de nanopartículas de nióbio, método de produção de energia e método para aumentar o rendimento quântico de fotoluminescência em célula solar - Google Patents

Célula fotovoltaica, uso de nanopartículas de nióbio, método de produção de energia e método para aumentar o rendimento quântico de fotoluminescência em célula solar Download PDF

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niobium
nanoparticles
photovoltaic cell
layer
photoluminescence
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Joel Boaretto
Robinson Carlos Dudley CRUZ
Cristiani Campos Plá CID
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Instituto Hercílio Randon
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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01L31/0224—Electrodes

Definitions

  • PHOTOVOLTAIC CELL USE OF NIOBIUM NANOPARTICLES, METHOD OF ENERGY PRODUCTION AND METHOD TO INCREASE THE QUANTUM YIELD OF PHOTOLUMINESCENCE IN A SOLAR CELL
  • the present invention relates to a photovoltaic cell, particularly for use in a solar panel. Additionally, it refers to the use of Niobium nanoparticles as a component of at least one layer of the photovoltaic cell.
  • the present invention is in the technical field of materials science, electrochemistry and nanotechnology.
  • the main component of a solar cell is the semiconductor, which is responsible for converting the energy absorbed from light photons into electrical current.
  • a semiconductor is a material that comprises a relatively small energy difference between the valence band and the valence band. conduction of the material, so that the energy absorbed from the photon of light is capable of exciting an electron that is promoted from the valence band to the conduction band, leaving an unoccupied state in the valence band that is called a 'hole' that has a positive charge (opposite to the charge of electrons). Electrons are collected by the cathode while holes are collected by the anode and thus electric current is generated.
  • the first generation of solar panels comprises silicon as the active layer.
  • the second generation of solar panels comprises materials such as gallium arsenide, cadmium telluride and copper indium gallium selenide in the active layer.
  • the third generation of solar panels includes dye-sensitized, organic and perovskite solar cells as active material.
  • Perovskite solar cells have excellent optoelectronic properties and manufacturing is simpler and more economical when compared to silicon solar cells. Despite having efficiencies similar to silicon devices (around 25%), PSCs present stability problems when exposed to high-energy radiation (lengths smaller than 450nm). To protect devices from this radiation without compromising cell performance, LDS (Luminescent Down-Shifting) luminescent layers are used.
  • the LDS layer is deposited on the top of the device, on the transparent conductive substrate (ITO, FTO), preventing the active layer from receiving photons of higher energies (Ultra Violet radiation range), at the same time, converting their energy to values corresponding to the visible range of the electromagnetic spectrum, contributing to the increase in the number of photogenerated charges in the active layer.
  • ITO transparent conductive substrate
  • FTO transparent conductive substrate
  • LDS layers By absorbing light in regions close to blue and UV, LDS layers protect devices from damaging radiation; By re-emitting this radiation at longer wavelengths (less energetic) it is also possible to increase the efficiency of the devices, since this re-emitted radiation can be shifted to wavelengths where photo-conversion into active layer is more likely.
  • the present invention solves several prior art problems and provides a photovoltaic cell that has greater photon conversion efficiency (PCE).
  • PCE photon conversion efficiency
  • the invention also provides significantly longer lifetime compared to prior art photovoltaic cells.
  • the invention provides a photovoltaic cell comprising a mass quantity of Niobium nanoparticles in at least one of its layers, wherein, in one embodiment, said mass quantity of Niobium nanoparticles is comprised in a protective layer against radiation in the range ultraviolet (UV).
  • UV range ultraviolet
  • Niobium nanoparticle covers various chemical entities containing Niobium, including metallic Niobium, oxides, hydrates, hydrides, carbides, or nitrides of Niobium, iron Niobium or Niobium linked to other metals or metals transition, or combinations thereof. It also includes Niobium pentoxide (Nb20s), NbC and NbO.
  • Niobium reserves in Brazilian territory are significant. It is an advantage of the present invention to provide the use of this element for producing more efficient battery cells.
  • the present invention presents a use of Niobium nanoparticles as a dopant of at least one layer of a photovoltaic cell, wherein said nanoparticles comprise a degree of amortization of at least 19%.
  • the present invention presents a photovoltaic cell comprising:
  • At least one of said layers comprises a mass amount of Niobium nanoparticles, wherein said mass amount of nanoparticles comprises a degree of amortization of at least 19%.
  • the mass quantity of Niobium nanoparticles is comprised in said protective layer.
  • the present invention defines a method of producing energy comprising a step of incident electromagnetic radiation on the photovoltaic cell as defined above.
  • the present invention defines a method for increasing the quantum yield of photoluminescence in a solar cell comprising at least one step of incorporating a Niobium nanoparticle into at least one protective layer of said solar cell, wherein said protective layer is in contact with the transparent conductive substrate of said solar cell.
  • Figure 1 illustrates an EQE curve of a reference PSC device (black curve) and EQE curve of a device with an Alq3:PMMA LDS layer (red curve).
  • Figure 2 illustrates an EQE curve of a reference PSC device (black curve) and EQE curve of the device with the LDS layer of Alq3:PMMA:Nb20 ⁇ (red curve).
  • the effect of Nb2Ü5 nanos is to increase the EQE of the device in the UV region (300-400 nm).
  • Figure 3 illustrates on the left (A) an emission spectrum (PL - photoluminescence) of Nb2Ü5 nanoparticles excited with a 305nm source. Also illustrated on the right (B) is an absorption spectrum of the luminescent compound Alq3:PMMA.
  • Figure 4 shows an emission spectrum (PL - photoluminescence) of the Alq3:PMMA:Nb20s blend excited with a 305nm source.
  • Figure 5 shows the UV-visible absorption profile of Alq3 solutions at concentrations of 4mg/mL, 2mg/mL and 1 mg/mL heated at 80 °C for 15 min.
  • Figure 6 shows an emission spectrum (PL - photoluminescence) of Alq3 solutions at concentrations of 4mg/mL, 2mg/mL and 1 mg/mL heated at 80 °C for 15 min.
  • Figure 7 shows the UV-visible absorption profile of Alq3 solutions at concentrations of 4mg/mL, 2mg/mL and 1 mg/mL heated at 80 °C for 30 min.
  • Figure 8 shows an emission spectrum (PL - photoluminescence) of Alq3 solutions at concentrations of 4mg/mL, 2mg/mL and 1 mg/mL heated at 80 °C for 30 min.
  • Figure 9 shows an emission spectrum (PL - photoluminescence) of polymeric solutions prepared as described in example 1 for Alq3:PMMA composites heated at 120 °C for 15 min, 120 °C for 45 min, 120 °C for 1 h, 100 °C for 15 min, 100 °C for 45 min, 100 °C for 1 h.
  • Figure 10 shows the UV-visible absorption profile of Alq3 solutions at a concentration of 0.4 mg/mL compared to mixtures of Nb and Alq3 nanoparticles in different proportions (3:4; 1:2 and 3: 8).
  • Figure 11 shows the UV-visible absorption profile of polymeric solutions of Alq3:PMMA at a concentration of 0.4 mg/mL and 0.6 mg/mL compared to a polymeric solution of Alq3:PMMA at a concentration of 0.6 mg/mL containing Nb nanoparticles (1 mg/mL).
  • Figure 12 shows an emission spectrum (PL - photoluminescence) of polymer solutions shown in figure 1 1 .
  • Figure 13 shows an emission spectrum (PL - photoluminescence) of Niobium nanoparticle solutions at different concentrations in deionized water.
  • Figure 14 shows an emission spectrum (PL - photoluminescence) of Niobium nanoparticle solutions at different concentrations in acetone.
  • Figure 15 shows an emission spectrum (PL - photoluminescence) of polymeric solutions deposited on a transparent ITO (indium tin oxide) substrate, ITO with Niobium nanoparticles, ITO with PMMA (1%) and ITO with Niobium nanoparticles. Niobium in PMMA (1%) heated at 60 °C for 15 min, with the exception of the ITO sample.
  • Figure 16 shows an emission spectrum (PL - photoluminescence) of polymeric solutions deposited on PET (polyethylene terephthalate) substrate with Niobium nanoparticles, PET (polyethylene terephthalate) with Niobium nanoparticles in PMMA (1%) heated to 60 °C for 15 min.
  • Figure 17 shows an emission spectrum (PL - photoluminescence) of Niobium nanoparticle solutions at a concentration of 2.5 mg/mL in acetone, subjected to heating at 60 °C for 10min or 20min (in triplicate).
  • Figure 18 shows a graph of current (A) versus voltage (V) to measure the resistance (Q) of a PMMA/ITO sample.
  • Figure 19 shows a graph of current (A) versus voltage (V) to measure the resistance (Q) of an ITO/PET/PMMA sample.
  • Figure 20 shows a graph of current (A) versus voltage (V) to measure the resistance (Q) of an ITO sample.
  • Figure 21 shows a graph of current (A) versus voltage (V) to measure the resistance (Q) of an ITO sample with Niobium nanoparticles treated at 60 °C for 15 min.
  • Figure 22 shows a graph of current (A) versus voltage (V) to measure the resistance (Q) of an ITO/PET sample.
  • Figure 23 shows a graph of current (A) by voltage (V) for measurement resistance (Q) of a PET sample with Niobium nanoparticles treated at 60 °C for 15 min.
  • Figure 24 shows a graph of current (A) versus voltage (V) to measure the resistance (Q) of an ITO sample with Niobium nanoparticles in PMMA.
  • the present invention discloses an improved photovoltaic cell.
  • the photovoltaic cell of the invention has higher photon conversion efficiency (PCE). It also has a significantly longer lifetime compared to state-of-the-art photovoltaic cells.
  • the photovoltaic cell of the invention comprises a mass quantity of Niobium nanoparticles in at least one of its layers, wherein, in one embodiment, said mass quantity of Niobium nanoparticles is comprised in a protective layer against radiation in the ultraviolet range. (UV).
  • Niobium nanoparticle encompasses various chemical entities containing Niobium, including metallic Niobium, oxides, hydrates, hydrides, carbides, or nitrides of Niobium, iron Niobium or Niobium linked to other metals or metals transition, or combinations thereof. It also includes Niobium pentoxide (Nb20s), NbC and NbO.
  • the present invention presents a photovoltaic cell comprising:
  • At least one of said layers comprises a mass amount of Niobium nanoparticles, wherein said mass amount of nanoparticles comprises a degree of amortization of at least 19%.
  • the mass quantity of Niobium nanoparticles is comprised in said protective layer.
  • said mass quantity of nanoparticles preferably comprises a degree of amortization of at least 20%, more preferably at least 25%, more preferably at least 30%, more preferably at least 35%, more preferably at least 39%, more preferably at least 40%, more preferably at least 45%, more preferably at least 50%, more preferably a degree of amortization of at least 55%, more preferably at least 60 %, more preferably at least 65% and even more preferably a degree of amortization of at least 70%.
  • the amortization degree is at least 71%, more preferably at least 72%, more preferably at least 73%.
  • the degree of amortization is 74%.
  • said mass quantity of nanoparticles preferably comprises a degree of amortization of at least 39%, preferably a degree of amortization of at least 55% and even more preferably a degree of amortization of at least 70%.
  • the term “protective layer” should be understood as a layer that is capable of protecting the photovoltaic cell against damaging electromagnetic radiation, such as, for example, a non-limiting layer, an LDS type layer.
  • Said protective layer can be composed of the most diverse materials, such as, for example, synthetic or natural polymers transparent to visible radiation which, at the same time, present significant absorption of UV radiation.
  • Non-limiting examples of said polymer can be PMMA (polymethyl methacrylate).
  • said protective layer is composed of synthetic or natural polymers transparent to visible radiation.
  • said protective layer is composed of synthetic or natural polymers transparent to visible radiation and presenting significant absorption of UV radiation.
  • said polymer is composed of PMMA.
  • said protective layer is composed of PMMA and Alq3 dye.
  • said protective layer may be composed of a nanoparticle paste (without the use of polymer).
  • the LDS layer is deposited in the upper part of the device, on the transparent conductive substrate, preventing the active layer from receiving higher energy photons (Ultra Violet radiation range), at the same time, converting their energy to values corresponding to the visible range of the electromagnetic spectrum, contributing to the increase in the number of photogenerated charges in the active layer.
  • higher energy photons Ultra Violet radiation range
  • LDS layers By absorbing light in regions close to blue and UV, LDS layers protect devices from damaging radiation; By re-emitting this radiation at longer wavelengths (less energetic) it is also possible to increase the efficiency of the devices, since this re-emitted radiation can be shifted to wavelengths where photo-conversion in the active layer is more likely.
  • the expression “degree of amortization” should be understood as the extent to which a material presents a predominantly disordered structure arrangement, in contrast to crystalline, predominantly single-crystalline and/or polycrystalline phases. “Amortization” can be understood as a process of loss of the long-range ordering of atoms, molecules or ions in the crystalline structure of a given material, which may also present a short-range ordering.
  • the active layer is composed of perovskite.
  • said perovskite is a material with a crystalline structure of the ABX3 type.
  • Non-limiting examples for said perovskite can be CsFAMAPb(lxBn- x )3, MAPbh, CsFAPbh, CHsNHsPbh or combinations thereof.
  • the Niobium nanoparticle is Niobium pentoxide nanoparticle.
  • the electron transport layer is composed of TiO2, SnC, Zno, PCBM, Ceo or combinations thereof.
  • the hole transport layer is composed of Spiro-OMeTAD, PTAA, P3HT, PEDOT:PSS or combinations thereof.
  • the transparent conductive substrate is composed of ITO, FTO and PET (polyethylene terephthalate) or combinations thereof.
  • the counter electrode is composed of Au, Al, Ag or combinations thereof.
  • the present invention presents a use of Niobium nanoparticles as a dopant of at least one layer of a photovoltaic cell, in which said nanoparticles comprise a degree of amortization of at least 19%.
  • the Niobium nanoparticle is Niobium pentoxide nanoparticle (Nb20s), NbC, NbO or combinations thereof. In one embodiment of the use of Niobium nanoparticle, the Niobium nanoparticle is Niobium pentoxide nanoparticle.
  • the present invention defines a method of energy production comprising a step of incident electromagnetic radiation on a photovoltaic cell as defined above.
  • the energy is solar energy and said electromagnetic radiation comes from the sun.
  • the present invention defines a method for increasing the quantum yield of photoluminescence in a solar cell comprising at least one step of incorporating a Niobium nanoparticle into at least one protective layer of said solar cell, wherein said protective layer is in contact with the transparent conductive substrate of said solar cell.
  • said protective layer is composed of PMMA and Alq3 dye.
  • the polymeric solutions were prepared using PMMA powder (supplied by Sigma Aldrich) dissolved in acetone (preliminary tests with a final concentration of 3% m/m). The solution was stirred for 24 hours at room temperature.
  • Luminescent material solutions were prepared by adding Aluminum hydroxyquinoline powder (Alq3, supplied by Sigma Aldrich) to the polymeric solution (preliminary tests with a concentration of 0.08 mg of Alq3 for each ml of PMMA solution). Likewise, the solution with the material luminescent was stirred for 24 hours at room temperature to ensure homogeneity of the solution.
  • Aluminum hydroxyquinoline powder Alq3, supplied by Sigma Aldrich
  • Niobium pentoxide nanoparticles To prepare the Niobium pentoxide nanoparticles, a Labstar LS01 ball agitator equipment (Netzsch) was fed with micrometric particles of Niobium pentoxide. Said process involves high-energy wet grinding.
  • the particle suspension was 17.7 m%, consisting of approximately 3500 g of milli-Q water + 10 M NaOH and 750 g of the solid sample which was prepared and stabilized in the mill mixing tank at pH 9, titrated with 10 M NaOH.
  • the grinding balls used were yttria-stabilized zirconia, 400 pm in diameter.
  • the filling of the grinding chamber was 80% vol. and the suspension temperature is less than 40 °C.
  • the mill rotation speed was set at 3000 rpm and grinding was conducted for 8 hours. To stabilize the suspension at pH 9, 10 M NaOH was added during grinding, samples were taken from time to time and particle sizes were measured.
  • Niobium pentoxide nanoparticle preparations were obtained, with purity greater than 99%.
  • Commercial niobium pentoxide with the particle size distribution described in table 1, was pre-comminuted in a high-energy mill containing zirconia spheres stabilized with yttria with a diameter of 400 pm, in a liquid medium and the pH adjusted to 6.6. The rotation speed of the mill was 3500 rpm and the grinding of the particles was carried out at temperatures below 40 °C.
  • Table 4 shows the particle size distribution (DTP) of Niobium pentoxide input (commercial product) and output of a pre-comminution step.
  • the average specific surface area S (m 2 /g) of the particles after the pre-comminution step was 0.32 m 2 /g.
  • the pre-comminuted particles were then fed to a high-energy mill, applying conditions similar to those described above, but with 200 pm Zr spheres and milled for different times, until each preparation was obtained. of nanoparticles. Three different nanoparticle preparations were obtained, each with a defined particle size distribution as described in table 2.
  • Nb2Ü5 nanoparticles produced as described in WO2022036427 were added to the polymeric solution simultaneously with the luminescent compound.
  • Alq3 (Aluminium tris (8-hydroxyquinolinate) - C27H18AIN3O3) is an easy-to-synthesize and inexpensive luminescent dye, with desirable optical properties for use in LDS layers applied to photovoltaic devices. Despite these good optical properties, low PLQY values (12.5%) induce significant losses in the device's EQE (as can be seen in figure 1), with drops of -6.86% in the short-circuit current density (Jsc).
  • Figure 1 illustrates an EQE curve of a reference PSC device (black curve) and EQE curve of a device with an Alq3:PMMA LDS layer (red curve).
  • Figure 2 illustrates an EQE curve of a reference PSC device (black curve) and EQE curve of the device with the Alq3:PMMA:Nb20s LDS layer (red curve).
  • the effect of Nb2Ü5 nanos is to increase the EQE of the device in the UV region (300-400 nm).
  • Nb2Ü5 By mixing Nb2Ü5 in appropriate proportions, it is possible to induce greater gains in the final EQE of the device, through an optimization process.
  • the increase observed in PLQY of Alq3 LDS films with the addition of Nb2Ü5 nanoparticles may be related to a transfer of Foster energy.
  • Figure 3 illustrates on the left (A) an emission spectrum (PL - photoluminescence) of Nb2Ü5 nanoparticles excited with a 305nm source. Also illustrated on the right (B) is an absorption spectrum of the luminescent compound Alq3:PMMA.
  • Figure 4 shows an emission spectrum (PL - photoluminescence) of the Alq3:PMMA:Nb20s blend excited with a 305nm source.
  • Figure 5 shows the UV-visible absorption profile of Alq3 solutions at concentrations of 4mg/mL, 2mg/mL and 1 mg/mL heated at 80 °C for 15 min.
  • Figure 6 shows an emission spectrum (PL - photoluminescence) of Alq3 solutions at concentrations of 4mg/mL, 2mg/mL and 1 mg/mL heated at 80 °C for 15 min.
  • Figure 7 shows the UV-visible absorption profile of Alq3 solutions at concentrations of 4mg/ml_, 2mg/ml_ and 1 mg/mL heated at 80 °C for 30 min.
  • Figure 8 shows an emission spectrum (PL - photoluminescence) of Alq3 solutions at concentrations of 4mg/ml_, 2mg/ml_ and 1 mg/mL heated at 80 °C for 30 min.
  • Figure 9 shows an emission spectrum (PL - photoluminescence) of polymeric solutions prepared as described in example 1 for Alq3:PMMA composites heated at 120 °C for 15 min, 120 °C for 45 min, 120 °C for 1 h, 100 °C for 15 min, 100 °C for 45 min, 100 °C for 1 h.
  • Figure 10 shows the UV-visible absorption profile of Alq3 solutions at a concentration of 0.4 mg/mL compared to mixtures of Nb and Alq3 nanoparticles in different proportions (3:4; 1:2 and 3: 8).
  • Figure 11 shows the UV-visible absorption profile of Alq3:PMMA polymeric solutions at concentrations of 0.4 mg/mL and 0.6mg/mL compared to Alq3:PMMA polymeric solutions at concentrations of 0.6 mg/mL containing Nb nanoparticles (1 mg/mL).
  • Figure 12 shows an emission spectrum (PL - photoluminescence) of the polymeric solutions shown in figure 11.
  • Figure 13 shows an emission spectrum (PL - photoluminescence) of Niobium nanoparticle solutions at different concentrations in water deionized.
  • Figure 14 shows an emission spectrum (PL - photoluminescence) of Niobium nanoparticle solutions at different concentrations in acetone.
  • Figure 15 shows an emission spectrum (PL - photoluminescence) of polymeric solutions of ITO (tin-doped indium oxide) ITO with Niobium nanoparticles, ITO with PMMA (1%) and ITO with Niobium nanoparticles in PMMA (1%) heated at 60 °C for 15 min, with the exception of the ITO sample.
  • Figure 16 shows an emission spectrum (PL - photoluminescence) of polymeric solutions of PET (polyethylene terephthalate) with Niobium nanoparticles, PET (polyethylene terephthalate) with Niobium nanoparticles in PMMA (1%) heated to 60 °C for 15 min.
  • Figure 17 shows an emission spectrum (PL - photoluminescence) of Niobium nanoparticle solutions at a concentration of 2.5 mg/mL in acetone, subjected to heating at 60 °C for 10min or 20min (in triplicate).
  • Figure 18 shows a graph of current (A) versus voltage (V) to measure the resistance (Q) of a PMMA/ITO sample.
  • Figure 19 shows a graph of current (A) versus voltage (V) to measure the resistance (Q) of an ITO/PET/PMMA sample.
  • Figure 20 shows a graph of current (A) versus voltage (V) to measure the resistance (Q) of an ITO sample.
  • Figure 21 shows a graph of current (A) versus voltage (V) to measure the resistance (Q) of an ITO sample with Niobium nanoparticles treated at 60 °C for 15 min.
  • Figure 22 shows a graph of current (A) versus voltage (V) to measure the resistance (Q) of an ITO/PET sample.
  • Figure 23 shows a graph of current (A) versus voltage (V) to measure the resistance (Q) of a PET sample with Niobium nanoparticles treated at 60 °C for 15 min.
  • Figure 24 shows a graph of current (A) versus voltage (V) to measure the resistance (Q) of an ITO sample with Niobium nanoparticles in PMMA.

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Abstract

A presente invenção se refere a uma célula fotovoltaica, particularmente para uso em painel solar. A invenção resolve vários problemas do estado da técnica e proporciona uma célula fotovoltaica que apresenta maior eficiência de conversão de fótons (PCE). A invenção também proporciona tempo de vida significativamente maior em comparação com as células fotovoltaicas do estado da técnica. A invenção proporciona uma célula fotovoltaica que compreende uma quantidade em massa de nanopartículas de Nióbio em pelo menos uma de suas camadas, sendo que, em uma concretização, a referida quantidade em massa de nanopartículas de Nióbio está compreendida em uma camada protetora contra radiação na faixa do ultravioleta (UV). A presente invenção encontra-se no campo técnico da ciência de materiais, eletroquímica e nanotecnologia.

Description

Relatório Descritivo de Patente de Invenção
CÉLULA FOTOVOLTAICA, USO DE NANOPARTÍCULAS DE NIÓBIO, MÉTODO DE PRODUÇÃO DE ENERGIA E MÉTODO PARA AUMENTAR O RENDIMENTO QUÂNTICO DE FOTOLUMINESCÊNCIA EM CÉLULA SOLAR
Campo da Invenção
[0001] A presente invenção se refere a uma célula fotovoltaica, particularmente para uso em painel solar. Adicionalmente, se refere ao uso de nanopartícula de Nióbio como componente de pelo menos uma camada da célula fotovoltaica. A presente invenção encontra-se no campo técnico da ciência de materiais, eletroquímica e nanotecnologia.
Antecedentes da Invenção
[0002] Atualmente, o desenvolvimento sustentável é um modelo socioeconômico-ambiental, que está diretamente relacionado com o crescimento da economia de modo que garanta a inclusão social e proteção do meio ambiente. Neste contexto, surgem as tecnologias limpas, que são novos processos industriais ou alterações realizadas em processos já existentes, com o objetivo de que o consumo de matérias primas, o consumo energético, os impactos ambientais e o desperdício sejam diminuídos. Com esta necessidade, surgem oportunidades para o desenvolvimento de novas tecnologias limpas para geração de energia.
[0003] Na busca por tecnologias mais limpas, fontes de energia alternativas como painéis solares tem emergido como alternativa atrativa por não serem poluentes em comparação, e.g., à queima de combustíveis fósseis, e se utilizarem de fontes renováveis (e.g., luz solar) para geração de energia.
[0004] O principal componente de uma célula solar é o semicondutor, o qual é responsável por converter a energia absorvida de fótons de luz em corrente elétrica. Geralmente, um semicondutor é um material que compreende uma diferença de energia relativamente pequena entre a banda de valência e a banda de condução do material, de forma que a energia absorvida do fóton de luz é capaz de excitar um elétron que é promovido da banda de valência para a banda de condução, deixando um estado desocupado na banda de valência que é chamado de ‘buraco’ que tem carga positiva (oposta à carga dos elétrons). Os elétrons são coletados pelo cátodo enquanto os buracos são coletados pelo ânodo e, dessa forma, a corrente elétrica é gerada.
[0005] A primeira geração de painéis solares compreende silício como camada ativa. A segunda geração de painéis solares compreende materiais como, por exemplo, arseneto de gálio, telureto de cádmio e seleneto de cobre índio e gálio na camada ativa. A terceira geração de painéis solares inclui células solares sensibilizadas com corante, orgânicas e de perovskita como material ativo.
[0006] As células solares de perovskita (PSCs) apresentam excelentes propriedades optoeletrônicas e a fabricação é mais simples e econômica quando comparada à das células solares de silício. Apesar de apresentarem eficiências similares aos dispositivos de silício (em torno de 25%), as PSCs apresentam problemas de estabilidade quando expostas a radiação de alta energia (comprimentos de onde menores a 450nm). Para proteger os dispositivos desta radiação sem comprometer a performance da célula, são usadas as camadas luminescentes LDS (do inglês Luminescent Down-Shifting). A camada LDS é depositada na parte superior do dispositivo, sobre o substrato condutor transparente (ITO, FTO), evitando que a camada ativa receba fótons de maiores energias (intervalo da radiação Ultra Violeta), ao mesmo tempo, convertendo a energia destes para valores correspondentes ao intervalo do visível do espectro eletromagnético, contribuindo para o aumento no número de cargas fotogeradas na camada ativa.
[0007] Ao absorver luz em regiões perto do azul e o UV, as camadas LDS protegem os dispositivos da radiação danificante; ao reemitir esta radiação em comprimentos de onda maiores (menos energéticos) também é possível aumentar a eficiência dos dispositivos, uma vez que esta radiação reemitida pode ser deslocada para comprimentos de onda onde a foto-conversão na camada ativa é mais provável.
[0008] O artigo de Anizelli et al. (intitulado “Application of luminescence downshifting materials for enhanced stability of CHsNHsPblsn-x CIsx perovskite photovoltaic devices") publicado em 2017 discute os resultados de aplicação de camadas de LDS em dispositivo fotovoltaico de CHaNHaPbh. Nos resultados apresentados por Anizelli et al. (2017) podemos ver o exemplo do composto de camada LDS Kremer blue:PMMA (Kb), que absorve em comprimentos de onda entre 320 e 420nm e reemite entre 400 e 550 nm. No intervalo onde o Kremer blue reemite, a eficiência quântica externa (EQE) do dispositivo de CHaNHaPbh é maior.
[0009] Como resultado da aplicação deste filme LDS de Kb no artigo Anizelli et al. (2017), observou-se um incremento de 7 vezes na vida média do dispositivo fotovoltaico. Porém, com o uso deste filme LDS, a eficiência de conversão de fótons (PCE) caiu aproximadamente 18%. Esta queda na foto-conversão é devida, entre outras coisas, a um baixo rendimento quântico de fotoluminescência (PLQY) e à sobreposição entre os picos de absorção e emissão do material, o que leva a perdas por reabsorção.
[0010] Em vista do exposto, nota-se que a busca de tecnologias renováveis, acessíveis e limpas é uma constante necessidade, uma vez que a geração de energia através de meios convencionais, tais como combustão de diesel, gás natural e gás liquefeito de petróleo, acarreta diversos efeitos danosos ambientais e socioeconômicos. Não obstante, o desenvolvimento de células solares com maior tempo de vida aliado a uma alta eficiência de conversão de fótons (PCE) é uma busca constante na área técnica em questão.
[0011] Do que se depreende da literatura pesquisada, não foram encontrados documentos antecipando ou sugerindo os ensinamentos da presente invenção, de forma que a solução aqui proposta, aos olhos dos inventores, possui novidade e atividade inventiva frente ao estado da técnica.
Sumário da Invenção [0012] A presente invenção resolve vários problemas do estado da técnica e proporciona uma célula fotovoltaica que apresenta maior eficiência de conversão de fótons (PCE). A invenção também proporciona tempo de vida significativamente maior em comparação com as células fotovoltaicas do estado da técnica. A invenção proporciona uma célula fotovoltaica que compreende uma quantidade em massa de nanopartículas de Nióbio em pelo menos uma de suas camadas, sendo que, em uma concretização, a referida quantidade em massa de nanopartículas de Nióbio está compreendida em uma camada protetora contra radiação na faixa do ultravioleta (UV).
[0013] No contexto da presente invenção, a expressão “nanopartícula de Nióbio” abrange variadas entidades químicas contendo Nióbio, incluindo Nióbio metálico, óxidos, hidratos, hidretos, carbetos, ou nitretos de Nióbio, ferro Nióbio ou Nióbio ligado a outros metais ou metais de transição, ou combinações dos mesmos. Inclui também o pentóxido de Nióbio (Nb20s), NbC e NbO.
[0014] As reservas de Nióbio no território brasileiro são expressivas. É uma vantagem da presente invenção proporcionar o uso desse elemento para produção de células de bateria mais eficientes.
[0015] Em um primeiro objeto, a presente invenção apresenta um uso de nanopartículas de Nióbio como dopante de pelo menos uma camada de uma célula fotovoltaica, em que as referidas nanopartículas compreendem um grau de amortização de pelo menos 19%.
[0016] Em um segundo objeto, a presente invenção apresenta uma célula fotovoltaica compreendendo:
- uma camada ativa;
- uma camada transportadora de elétrons em contato com uma face da camada ativa;
- uma camada transportadora de buracos em contato com uma face da camada ativa;
- um substrato condutor transparente em contato com a camada transportadora de elétrons ou a camada transportadora de buracos; - um contra eletrodo em contato com a camada transportadora de elétrons ou a camada transportadora de buracos; compreendendo adicionalmente:
- uma camada protetora em contato com o substrato condutor transparente; em que pelo menos uma das referidas camadas compreende uma quantidade em massa de nanopartículas de Nióbio, em que a referida quantidade em massa de nanopartículas compreende um grau de amortização de pelo menos 19%.
[0017] Em uma concretização, a quantidade em massa de nanopartículas de Nióbio está compreendida na referida camada protetora.
[0018] Em um terceiro objeto, a presente invenção define um método de produção de energia compreendendo uma etapa de incidência de radiação eletromagnética sobre a célula fotovoltaica conforme definida acima.
[0019] Em um quarto objeto, a presente invenção define um método para aumentar o rendimento quântico de fotoluminescência em célula solar compreendendo pelo menos uma etapa de incorporação de nanopartícula de Nióbio em pelo menos uma camada protetora da dita célula solar, em que a dita camada protetora está em contato com o substrato condutor transparente da dita célula solar.
[0020] Estes e outros objetos da invenção serão imediatamente valorizados pelos versados na arte e serão descritos detalhadamente a seguir.
Breve Descrição das Figuras
[0021] São apresentadas as seguintes figuras:
[0022] A figura 1 ilustra uma curva de EQE de um dispositivo PSC de referência (curva preta) e curva EQE de um dispositivo com camada LDS de Alq3:PMMA (curva vermelha).
[0023] A figura 2 ilustra uma curva de EQE de um dispositivo PSC de referência (curva preta) e curva EQE do dispositivo com a camada LDS de Alq3:PMMA:Nb20õ (curva vermelha). O efeito das nano de Nb2Ü5 é aumentar a EQE do dispositivo na região UV (300-400 nm).
[0024] A figura 3 ilustra à esquerda (A) um espectro de emissão (PL - fotoluminescência) das nanopartículas de Nb2Ü5 excitadas com uma fonte de 305nm. Também ilustra à direita (B) um espectro de absorção do composto luminescente Alq3:PMMA.
[0025] A figura 4 mostra um espectro de emissão (PL - fotoluminescência) da blenda Alq3:PMMA:Nb20s excitada com uma fonte de 305nm.
[0026] A figura 5 mostra o perfil de absorção UV-visível de soluções de Alq3 nas concentrações de 4mg/mL, 2mg/mL e 1 mg/mL aquecidas em 80 °C por 15 min.
[0027] A figura 6 mostra um espectro de emissão (PL - fotoluminescência) de soluções de Alq3 nas concentrações de 4mg/mL, 2mg/mL e 1 mg/mL aquecidas em 80 °C por 15 min.
[0028] A figura 7 mostra o perfil de absorção UV-visível de soluções de Alq3 nas concentrações de 4mg/mL, 2mg/mL e 1 mg/mL aquecidas em 80 °C por 30 min.
[0029] A figura 8 mostra um espectro de emissão (PL - fotoluminescência) de soluções de Alq3 nas concentrações de 4mg/mL, 2mg/mL e 1 mg/mL aquecidas em 80 °C por 30 min.
[0030] A figura 9 mostra um espectro de emissão (PL - fotoluminescência) de soluções poliméricas preparadas conforme descrito no exemplo 1 para compósitos Alq3:PMMA aquecidos em 120 °C por 15 min, 120 °C por 45 min, 120 °C por 1 h, 100 °C por 15 min, 100 °C por 45 min, 100 °C por 1 h.
[0031] A figura 10 mostra o perfil de absorção UV-visível de soluções de Alq3 em concentração de 0,4 mg/mL comparado com misturas de nanopartículas de Nb e Alq3 em diferentes proporções (3:4; 1 :2 e 3:8).
[0032] A figura 11 mostra o perfil de absorção UV-visível de soluções poliméricas de Alq3:PMMA em concentração de 0,4 mg/mL e 0,6mg/mL comparando com solução polimérica de Alq3:PMMA em concentração de 0,6 mg/mL contendo nanopartículas de Nb (1 mg/mL).
[0033] A figura 12 mostra um espectro de emissão (PL - fotoluminescência) das soluções poliméricas mostradas na figura 1 1 .
[0034] A figura 13 mostra um espectro de emissão (PL - fotoluminescência) de soluções da nanopartícula de Nióbio em diferentes concentrações em água deionizada.
[0035] A figura 14 mostra um espectro de emissão (PL - fotoluminescência) de soluções da nanopartícula de Nióbio em diferentes concentrações em acetona.
[0036] A figura 15 mostra um espectro de emissão (PL - fotoluminescência) de soluções poliméricas depositados sobre substrato transparente de ITO (óxido de índio com estanho) ITO com nanopartículas de Nióbio, ITO com PMMA (1%) e ITO com nanopartículas de Nióbio em PMMA (1 %) aquecidas a 60 °C por 15 min, com exceção da amostra de ITO.
[0037] A figura 16 mostra um espectro de emissão (PL - fotoluminescência) de soluções poliméricas depositadas sobre substrato PET (polietileno tereftalato) com nanopartículas de Nióbio, PET (polietileno tereftalato) com nanopartículas de Nióbio em PMMA (1 %) aquecidas a 60 °C por 15 min.
[0038] A figura 17 mostra um espectro de emissão (PL - fotoluminescência) de soluções da nanopartícula de Nióbio em concentração de 2,5mg/mL em acetona, submetidas a aquecimento a 60 °C por 10min ou 20min (em triplicate).
[0039] A figura 18 mostra um gráfico de corrente (A) pela tensão (V) para medida da resistência (Q) de uma amostra de PMMA/ITO.
[0040] A figura 19 mostra um gráfico de corrente (A) pela tensão (V) para medida da resistência (Q) de uma amostra de ITO/PET/PMMA.
[0041 ] A figura 20 mostra um gráfico de corrente (A) pela tensão (V) para medida da resistência (Q) de uma amostra de ITO.
[0042] A figura 21 mostra um gráfico de corrente (A) pela tensão (V) para medida da resistência (Q) de uma amostra de ITO com nanopartículas de Nióbio tratadas a 60 °C por 15 min.
[0043] A figura 22 mostra um gráfico de corrente (A) pela tensão (V) para medida da resistência (Q) de uma amostra de ITO/PET.
[0044] A figura 23 mostra um gráfico de corrente (A) pela tensão (V) para medida da resistência (Q) de uma amostra de PET com nanoparticulas de Nióbio tratadas a 60 °C por 15 min.
[0045] A figura 24 mostra um gráfico de corrente (A) pela tensão (V) para medida da resistência (Q) de uma amostra de ITO com nanoparticulas de Nióbio em PMMA.
Descrição Detalhada da Invenção
[0046] A presente invenção revela uma célula fotovoltaica melhorada. A célula fotovoltaica da invenção apresenta maior eficiência de conversão de fótons (PCE). Apresenta também tempo de vida significativamente maior em comparação com as células fotovoltaicas do estado da técnica. A célula fotovoltaica da invenção compreende uma quantidade em massa de nanoparticulas de Nióbio em pelo menos uma de suas camadas, sendo que, em uma concretização, a referida quantidade em massa de nanoparticulas de Nióbio está compreendida em uma camada protetora contra radiação na faixa do ultravioleta (UV).
[0047] No contexto da presente invenção, a expressão “nanopartícula de Nióbio” abrange variadas entidades químicas contendo Nióbio, incluindo Nióbio metálico, óxidos, hidratos, hidretos, carbetos, ou nitretos de Nióbio, ferro Nióbio ou Nióbio ligado a outros metais ou metais de transição, ou combinações dos mesmos. Inclui também o pentóxido de Nióbio (Nb20s), NbC e NbO.
[0048] É um objetivo da presente invenção proporcionar a produções e obtenção de células fotovoltaicas mais eficientes.
[0049] Em um objeto, a presente invenção apresenta uma célula fotovoltaica compreendendo:
- uma camada ativa;
- uma camada transportadora de elétrons em contato com uma face da camada ativa;
- uma camada transportadora de buracos em contato com uma face da camada ativa; - um substrato condutor transparente em contato com a camada transportadora de elétrons ou a camada transportadora de buracos;
- um contra eletrodo em contato com a camada transportadora de elétrons ou a camada transportadora de buracos; compreendendo adicionalmente:
- uma camada protetora em contato com o substrato condutor transparente; em que pelo menos uma das referidas camadas compreende uma quantidade em massa de nanopartículas de Nióbio, em que a referida quantidade em massa de nanopartículas compreende um grau de amortização de pelo menos 19%.
[0050] Em uma concretização, a quantidade em massa de nanopartículas de Nióbio está compreendida na referida camada protetora.
[0051] Em uma concretização, a referida quantidade em massa de nanopartículas compreende preferivelmente um grau de amortização de pelo menos 20%, mais preferivelmente de pelo menos 25%, mais preferivelmente de pelo menos 30%, mais preferivelmente de pelo menos 35%, mais preferivelmente de pelo menos 39%, mais preferivelmente de pelo menos 40%, mais preferivelmente de pelo menos 45%, mais preferivelmente de pelo menos 50%, mais preferivelmente um grau de amortização de pelo menos 55%, mais preferivelmente de pelo menos 60%, mais preferivelmente de pelo menos 65% e ainda mais preferivelmente um grau de amortização de pelo menos 70%. Em uma concretização, o grau amortização de pelo menos 71 %, mais preferivelmente de pelo menos 72%, mais preferivelmente de pelo menos 73%. Em uma concretização não limitante, o grau de amortização é de 74%.
[0052] Em uma concretização, a referida quantidade em massa de nanopartículas compreender preferivelmente um grau de amortização de pelo menos 39%, preferivelmente um grau de amortização de pelo menos 55% e ainda mais preferivelmente um grau de amortização de pelo menos 70%.
[0053] No contexto da presente invenção, o termo “camada protetora” deve ser entendido como uma camada que é capaz de proteger a célula fotovoltaica contra radiações eletromagnéticas danificantes, como por exemplo não limitante, uma camada do tipo LDS. A dita camada protetora pode ser composta pelos mais diversos materiais, como por exemplo não limitante, polímeros sintéticos ou naturais transparentes à radiação visível que, ao mesmo tempo, apresentem absorção significativa da radiação UV. Exemplos não limitantes do dito polímero podem ser PMMA (polimetilmetacrilato).
[0054] Dessa forma, em uma concretização, a referida camada protetora é composta por polímeros sintéticos ou naturais transparentes à radiação visível.
[0055] Em uma concretização, a referida camada protetora é composta por polímeros sintéticos ou naturais transparentes à radiação visível apresentando absorção significativa da radiação UV.
[0056] Em uma concretização particular não limitante, o referido polímero é composto de PMMA. Em uma concretização particular não limitante, a referida camada protetora é composta de PMMA e corante Alq3.
[0057] Em uma concretização alternativa, a referida camada protetora pode ser composta de uma pasta de nanopartículas (sem uso de polímero).
[0058] A camada LDS é depositada na parte superior do dispositivo, sobre o substrato condutor transparente, evitando que a camada ativa receba fótons de maiores energias (intervalo da radiação Ultra Violeta), ao mesmo tempo, convertendo a energia destes para valores correspondentes ao intervalo do visível do espectro eletromagnético, contribuindo para o aumento no número de cargas fotogeradas na camada ativa.
[0059] Ao absorver luz em regiões perto do azul e o UV, as camadas LDS protegem os dispositivos da radiação danificante; ao reemitir esta radiação em comprimentos de onda maiores (menos energéticos) também é possível aumentar a eficiência dos dispositivos, uma vez que esta radiação reemitida pode ser deslocada para comprimentos de onda onde a foto-conversão na camada ativa é mais provável.
[0060] No contexto da presente invenção, a expressão “grau de amortização” deve ser entendida como a extensão em que um material apresenta um arranjo de estrutura predominantemente desordenado, em contraste a fases cristalinas, predominantemente monocristalinas e/ou policristalinas. “Amortização” pode ser entendido como um processo de perda da ordenação de longo alcance dos átomos, moléculas ou íons na estrutura cristalina de um determinado material, podendo ainda apresentar uma ordenação de curto alcance.
[0061] Em uma concretização da dita célula fotovoltaica, a camada ativa é composta de perovskita. Em uma concretização a dita perovskita é um material com estrutura cristalina do tipo ABX3. Exemplos não limitantes para a dita perovskita podem ser CsFAMAPb(lxBn-x)3, MAPbh, CsFAPbh, CHsNHsPbh ou combinações dos mesmos.
[0062] Em uma concretização da dita célula fotovoltaica, a nanopartícula de Nióbio é nanopartícula de pentóxido de Nióbio.
[0063] Em uma concretização da dita célula fotovoltaica, a camada transportadora de elétrons é composta de TÍO2, SnC , Zno, PCBM, Ceo ou combinações dos mesmos.
[0064] Em uma concretização da dita célula fotovoltaica, a camada transportadora de buracos é composta de Spiro-OMeTAD, PTAA, P3HT, PEDOT:PSS ou combinações dos mesmos.
[0065] Em uma concretização da dita célula fotovoltaica, 0 substrato condutor transparente é composto de ITO, FTO e PET (polietileno tereftalato) ou combinações dos mesmos.
[0066] Em uma concretização da dita célula fotovoltaica, 0 contra eletrodo é composto de Au, Al, Ag ou combinações dos mesmos.
[0067] Em um segundo objeto a presente invenção apresenta um uso de nanopartículas de Nióbio como dopante de pelo menos uma camada de uma célula fotovoltaica, em que as referidas nanopartículas compreendem um grau de amortização de pelo menos 19%.
[0068] Em uma concretização do uso de nanopartículas de Nióbio, a nanopartícula de Nióbio é nanopartícula de pentóxido de Nióbio (Nb20s), NbC , NbO ou combinações dos mesmos. Em uma concretização do uso de nanopartícula de Nióbio, a nanopartícula de Nióbio é nanopartícula de pentóxido de Nióbio.
[0069] Em um terceiro objeto, a presente invenção define um método de produção de energia compreendendo uma etapa de incidência de radiação eletromagnética sobre célula fotovoltaica conforme definida acima.
[0070] Em uma concretização do método de produção de energia, a energia é energia solar e a dita radiação eletromagnética é proveniente do sol.
[0071] Em um quarto objeto, a presente invenção define um método para aumentar o rendimento quântico de fotoluminescência em célula solar compreendendo pelo menos uma etapa de incorporação de nanopartícula de Nióbio em pelo menos uma camada protetora da dita célula solar, em que a dita camada protetora está em contato com o substrato condutor transparente da dita célula solar.
[0072] Em uma concretização do método para aumentar o rendimento quântico de fotoluminescência em célula solar, a dita camada protetora é composta de PMMA e corante Alq3.
Exemplos
[0073] Os exemplos aqui mostrados têm o intuito somente de exemplificar uma das inúmeras maneiras de se realizar a invenção, contudo sem limitar, o escopo da mesma.
Exemplo 1 - Preparação dos substratos
[0074] As soluções poliméricas foram preparadas usando pó de PMMA (fornecido pela Sigma Aldrich) dissolvidos em acetona (testes preliminares com concentração final de 3 % m/m). A solução foi agitada por 24 horas a temperatura ambiente.
[0075] As soluções de material luminescente foram preparadas acrescentando o pó de hidroxiquinolina de Aluminio (Alq3, fornecido pela Sigma Aldrich) na solução polimérica (testes preliminares com concentração de 0,08 mg de Alq3 por cada ml de solução de PMMA). De igual forma, a solução com o material luminescente foi agitada por 24 horas a temperatura ambiente para garantir a homogeneidade da solução.
[0076] Para preparar as nanopartículas de pentóxido de Nióbio, um equipamento moinho agitador de esferas Labstar LS01 (Netzsch) foi alimentado com partículas micrométricas de pentóxido de Nióbio. Referido processo envolve moagem úmida de alta energia. A suspensão de partículas foi de 17,7% m, consistindo de aproximadamente 3500 g de água milli-Q + NaOH 10 M e 750 g da amostra sólida a qual foi preparada e estabilizada no tanque de mistura do moinho em pH 9, titulada com NaOH 10 M. As esferas de moagem usadas foram de zircônia estabilizada com ítria, de 400 pm de diâmetro. O preenchimento da câmara de moagem foi de 80% vol. e a temperatura da suspensão inferior a 40 °C. A velocidade de rotação do moinho foi ajustada 3000 rpm e a moagem foi conduzida por 8 horas. Para estabilizar a suspensão em pH 9, foram realizadas adições de NaOH 10 M durante a moagem, sendo feitas amostragens de tempos em tempos e medidos os tamanhos de partículas.
[0077] No presente exemplo, diversas concretizações de preparados de nanopartículas de pentóxido de Nióbio foram obtidas, com pureza superior a 99%. Pentóxido de Nióbio comercial, com a distribuição granulométrica descrita na tabela 1 foi pré-cominuído de em moinho de alta energia contendo esferas de zircônia estabilizadas com ítria com diâmetro de 400 pm, em meio líquido e o pH ajustado para 6,6. A velocidade de rotação do moinho foi de 3500 rpm e a moagem das partículas foi conduzida em temperatura abaixo de 40 °C. A tabela 4 mostra a distribuição dos tamanhos de partícula (DTP) de pentóxido de Nióbio de entrada (produto comercial) e de saída de uma etapa de pré-cominuição.
[0078] Tabela 1 - DTP de entrada (produto comercial) e de saída após pré- cominuição.
Figure imgf000015_0001
Figure imgf000016_0001
[0079] A área de superfície específica média S (m2/g) das partículas após a etapa de pré-cominuição foi de 0,32 m2/g.
[0080] Em uma concretização, as partículas pré-cominuídas foram então alimentadas a um moinho de alta energia, sendo aplicadas condições semelhantes às descritas acima, porém com esferas de Zr de 200 pm e moídas por tempos diferentes, até a obtenção de cada preparado de nanopartículas. Foram obtidos três diferentes preparados de nanopartículas, cada um com uma distribuição granulométrica definida conforme descrito na tabela 2.
[0081] Tabela 2 - Distribuição de tamanhos de partículas de três diferentes preparados (C, D e E) de nanopartículas de pentóxido de Nióbio.
Figure imgf000016_0002
Figure imgf000017_0001
[0082] Nos exemplos do presente pedido, foram encontrados resultados ainda mais surpreendentes para as amostras que foram submetidas a 12h de moagem. [0083] Sem o desejo de estar ligado à teoria, entende-se que as amostras submetidas 12h de moagem, que apresentam um grau de amortização maior (74%), contribuem com os efeitos surpreendentes apresentados.
[0084] As nanopartículas de Nb2Ü5 (produzidas conforme descrito em WO2022036427) foram acrescentadas na solução polimérica em simultâneo com o composto luminescente. A razão massa a massa de nanopartículas e Alq3 nos testes preliminares foi de 1 :1. A quantidade de nanopartículas de Nb2O5 testada foi de 0,08 ± 0,02 mg por m L de solução. Foram testadas nanopartículas com distribuição de tamanho médio de 500 nm (IHR01 ) e 100 nm (IHR12).
[0085] Substratos de vidro de 1 cm x 1 cm foram lavados com sabão neutro, acetona, álcool isopropílico e água deionizada. Os substratos foram agitados com ultrassom por 10 minutos em cada um dos solventes mencionados. Os filmes LDS foram depositados por drop casting usando 0,1 ml de solução luminescente no substrato de vidro e posteriormente o substrato foi aquecido a diferentes temperaturas (60, 80, 100 e 120 °C) em intervalos de tempo de diferente duração (15, 30 e 45 min). Os testes preliminares foram feitos secando as amostras a 80 °C por 30 min.
Exemplo 2 - Incorporação de Alq3 (tris (8-hidroxiquinolinato) de Alumínio
- C27H18AIN3O3)
[0086] O Alq3 (tris (8-hidroxiquinolinato) de Alumínio - C27H18AIN3O3) é um corante luminescente de fácil síntese e barato, com propriedades óticas desejáveis para uso em camadas LDS aplicadas a dispositivos fotovoltaicos. Apesar destas boas propriedades óticas, valores de PLQY baixos (12,5%) induzem a perdas significativas na EQE do dispositivo (como pode ser visto na figura 1 ), com quedas de -6,86% na densidade de corrente de curto-circuito (Jsc). [0087] A figura 1 ilustra uma curva de EQE de um dispositivo PSC de referência (curva preta) e curva EQE de um dispositivo com camada LDS de Alq3:PMMA (curva vermelha).
[0088] Ao mudar as concentrações de PMMA e corante é possível aumentar os valores de PLQY em filmes LDS de Alq3. O maior valor obtido até 0 momento foi de 32%. Usando 0 modelo de Rothemund, vemos que 0 uso destes filmes ainda levaria a uma queda na EQE do dispositivo, com perda de -1 ,5% na Jsc. Ao adicionar nanopartículas de pentóxido de Nióbio (Nb20s), valores de PLQY de 53% foram obtidos. Pelos cálculos usando 0 modelo do artigo de Rothemund (intitulado “ Optical modelling of the external quantum efficiency of solar cells with luminescent down-shifting layers") publicado em 2014, 0 uso destes filmes levaria a um aumento na EQE do dispositivo (como pode ser visto na figura 2), com um incremento de 2,29% na Jsc.
[0089] A figura 2 ilustra uma curva de EQE de um dispositivo PSC de referência (curva preta) e curva EQE do dispositivo com a camada LDS de Alq3:PMMA:Nb20s (curva vermelha). O efeito das nano de Nb2Ü5 é aumentar a EQE do dispositivo na região UV (300-400 nm).
[0090] Ao misturar Nb2Ü5 em proporções adequadas, é possível induzir ganhos maiores na EQE final do dispositivo, através de um processo de otimização. O incremento observado na PLQY dos filmes LDS de Alq3 com adição das nanopartículas de Nb2Ü5 pode estar relacionado com uma transferência de energia de Foster.
[0091] A figura 3 ilustra à esquerda (A) um espectro de emissão (PL - fotoluminescência) das nanopartículas de Nb2Ü5 excitadas com uma fonte de 305nm. Também ilustra à direita (B) um espectro de absorção do composto luminescente Alq3:PMMA.
[0092] Como pode ser observado na figura 3, ao excitar o Nb2Ü5 em comprimentos de onda menores (305nm), este composto emite em comprimentos de onda entre 330 e 430nm, que se sobrepõe com a absorção do Alq3:PMMA. Esta sobreposição nos espectros de emissão-absorção pode ser sinal de uma transferência de energia Foster. Uma transferência eficiente levaria a um incremento na PLQY da blenda final, uma vez que a blenda final emitiria na banda de emissão do Alq3 em comprimentos de excitação relativos as nanopartículas de Nb2Ü5 (< 330nm). Isto foi confirmado com medidas de fluorescência em estado estacionário, como pode ser visto na figura 4. As medidas de fotoluminescência em estado estacionário da blenda Alq3:PMMA:Nb20õ mostram a emissão simultânea característica de cada material.
[0093] A figura 4 mostra um espectro de emissão (PL - fotoluminescência) da blenda Alq3:PMMA:Nb20s excitada com uma fonte de 305nm.
Exemplo 3 - Medidas e comparação do PLQY (Rendimento Quântico de Fotoluminescência)
[0094] Amostras produzidas conforme descrito no exemplo 1 foram preparadas para comprovar o aumento do PLQY ao usar uma camada protetora conforme descrita na presente invenção.
[0095] A figura 5 mostra o perfil de absorção UV-visível de soluções de Alq3 nas concentrações de 4mg/mL, 2mg/mL e 1 mg/mL aquecidas em 80 °C por 15 min. [0096] A figura 6 mostra um espectro de emissão (PL - fotoluminescência) de soluções de Alq3 nas concentrações de 4mg/mL, 2mg/mL e 1 mg/mL aquecidas em 80 °C por 15 min.
[0097] Os resultados do PLQY (Rendimento Quântico de Fotoluminescência) das amostras da figura 6 estão na tabela 1 abaixo. [0098] Tabela 1 - PLQY das amostras da figura 6
Figure imgf000020_0001
[0099] A figura 7 mostra o perfil de absorção UV-visível de soluções de Alq3 nas concentrações de 4mg/ml_, 2mg/ml_ e 1 mg/mL aquecidas em 80 °C por 30 min. [0100] A figura 8 mostra um espectro de emissão (PL - fotoluminescência) de soluções de Alq3 nas concentrações de 4mg/ml_, 2mg/ml_ e 1 mg/mL aquecidas em 80 °C por 30 min.
[0101] Os resultados do PLQY (Rendimento Quântico de Fotoluminescência) das amostras da figura 8 estão na tabela 2 abaixo.
[0102] Tabela 2 - PLQY das amostras da figura 6
Figure imgf000020_0002
[0103] A figura 9 mostra um espectro de emissão (PL - fotoluminescência) de soluções poliméricas preparadas conforme descrito no exemplo 1 para compósitos Alq3:PMMA aquecidos em 120 °C por 15 min, 120 °C por 45 min, 120 °C por 1 h, 100 °C por 15 min, 100 °C por 45 min, 100 °C por 1 h.
[0104] Os resultados do PLQY (Rendimento Quântico de Fotoluminescência) das amostras da figura 9 estão na tabela 3 abaixo.
[0105] Tabela 3 - PLQY das amostras da figura 9
Figure imgf000020_0003
Figure imgf000021_0001
[0106] A figura 10 mostra o perfil de absorção UV-visível de soluções de Alq3 em concentração de 0,4 mg/mL comparado com misturas de nanopartículas de Nb e Alq3 em diferentes proporções (3:4; 1 :2 e 3:8).
[0107] A figura 11 mostra o perfil de absorção UV-visível de soluções poliméricas de Alq3:PMMA em concentração de 0,4 mg/mL e 0,6mg/mL comparando com solução polimérica de Alq3:PMMA em concentração de 0,6 mg/mL contendo nanopartículas de Nb (1 mg/mL).
[0108] A figura 12 mostra um espectro de emissão (PL - fotoluminescência) das soluções poliméricas mostradas na figura 11 .
[0109] Os resultados do PLQY (Rendimento Quântico de Fotoluminescência) das amostras da figura 12 estão na tabela 4 abaixo.
[0110] T abela 4 - PLQY das amostras da figura 12
Figure imgf000021_0002
[0111] Pelos resultados da tabela 4 fica claro o aumento significativo no PLQY da camada protetora de Alq3:PMMA contendo nanopartículas de Nióbio.
[0112] Sem o desejo de estar ligado à teoria, entende-se que as amostras submetidas 12h de moagem, que apresentam um grau de amortização maior (74%), contribuem com os efeitos surpreendentes observados.
[0113] Exemplo 4 - Espectros de fotoluminescência
[0114] A figura 13 mostra um espectro de emissão (PL - fotoluminescência) de soluções da nanopartícula de Nióbio em diferentes concentrações em água deionizada.
[0115] A figura 14 mostra um espectro de emissão (PL - fotoluminescência) de soluções da nanopartícula de Nióbio em diferentes concentrações em acetona.
[0116] A figura 15 mostra um espectro de emissão (PL - fotoluminescência) de soluções poliméricas de ITO (óxido de índio dopado com estanho) ITO com nanopartículas de Nióbio, ITO com PMMA (1 %) e ITO com nanopartículas de Nióbio em PMMA (1 %) aquecidas a 60 °C por 15 min, com exceção da amostra de ITO.
[0117] A figura 16 mostra um espectro de emissão (PL - fotoluminescência) de soluções poliméricas de PET (polietileno tereftalato) com nanopartículas de Nióbio, PET (polietileno tereftalato) com nanopartículas de Nióbio em PMMA (1 %) aquecidas a 60 °C por 15 min.
[0118] A figura 17 mostra um espectro de emissão (PL - fotoluminescência) de soluções da nanopartícula de Nióbio em concentração de 2,5mg/mL em acetona, submetidas a aquecimento a 60 °C por 10min ou 20min (em triplicate).
[0119] Exemplo 5 - Medidas da resistência (Q)
[0120] A figura 18 mostra um gráfico de corrente (A) pela tensão (V) para medida da resistência (Q) de uma amostra de PMMA/ITO.
[0121 ] A figura 19 mostra um gráfico de corrente (A) pela tensão (V) para medida da resistência (Q) de uma amostra de ITO/PET/PMMA.
[0122] A figura 20 mostra um gráfico de corrente (A) pela tensão (V) para medida da resistência (Q) de uma amostra de ITO.
[0123] A figura 21 mostra um gráfico de corrente (A) pela tensão (V) para medida da resistência (Q) de uma amostra de ITO com nanopartículas de Nióbio tratadas a 60 °C por 15 min.
[0124] A figura 22 mostra um gráfico de corrente (A) pela tensão (V) para medida da resistência (Q) de uma amostra de ITO/PET.
[0125] A figura 23 mostra um gráfico de corrente (A) pela tensão (V) para medida da resistência (Q) de uma amostra de PET com nanopartículas de Nióbio tratadas a 60 °C por 15 min. [0126] A figura 24 mostra um gráfico de corrente (A) pela tensão (V) para medida da resistência (Q) de uma amostra de ITO com nanopartículas de Nióbio em PMMA.
[0127] Os versados na arte valorizarão os conhecimentos aqui apresentados e poderão reproduzir a invenção nas modalidades apresentadas e em outras variantes e alternativas, abrangidas pelo escopo das reivindicações a seguir.

Claims

Reivindicações
1 . Célula fotovoltaica compreendendo:
- uma camada ativa;
- uma camada transportadora de elétrons em contato com uma face da camada ativa;
- uma camada transportadora de buracos em contato com uma face da camada ativa;
- um substrato condutor transparente em contato com a camada transportadora de elétrons ou a camada transportadora de buracos;
- um contra eletrodo em contato com a camada transportadora de elétrons ou a camada transportadora de buracos; caracterizada por compreender adicionalmente:
- uma camada protetora em contato com o substrato condutor transparente; em que pelo menos uma das referidas camadas compreende uma quantidade em massa de nanopartículas de Nióbio, em que a referida quantidade em massa de nanopartículas compreende um grau de amortização de pelo menos 19%.
2. Célula fotovoltaica, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizada pela quantidade em massa de nanopartículas de Nióbio estar compreendida na referida camada protetora.
3. Célula fotovoltaica, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizada pela referida quantidade em massa de nanopartículas compreender preferivelmente um grau de amortização de pelo menos 39%, preferivelmente um grau de amortização de pelo menos 55% e ainda mais preferivelmente um grau de amortização de pelo menos 70%.
4. Célula fotovoltaica, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizada pela camada ativa ser composta de perovskita.
5. Célula fotovoltaica, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizada pela camada protetora ser composta de PMMA e corante Alq3.
6. Célula fotovoltaica, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizada pela nanopartícula de Nióbio ser nanopartícula de pentóxido de Nióbio.
7. Uso de nanopartículas de Nióbio, caracterizado por ser como dopante de pelo menos uma camada de uma célula fotovoltaica, em que as referidas nanopartículas compreendem um grau de amortização de pelo menos 19%.
8. Uso, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pela nanopartícula de Nióbio ser nanopartícula de pentóxido de Nióbio.
9. Método de produção de energia caracterizado por compreender uma etapa de incidência de radiação eletromagnética sobre célula fotovoltaica conforme definida na reivindicação 1 .
10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pela energia ser energia solar e a dita radiação eletromagnética ser proveniente do sol.
11. Método para aumentar o rendimento quântico de fotoluminescência em célula solar caracterizado por compreender pelo menos uma etapa de incorporação de nanopartícula de Nióbio em pelo menos uma camada protetora da dita célula solar, em que a dita camada protetora está em contato com o substrato condutor transparente da dita célula solar.
12. Método, de acordo com a reivindicação 11 , caracterizado pela dita camada protetora ser composta de PMMA e corante Alq3.
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