Desenvolvimento e caracterização de filmes finos transparentes para aplicações óticas

Abstract

Tecnologias como as células solares sensibilizadas por corante os concentradores solares luminescentes representam uma alternativa promissora na geração de energia fotovoltaica, sendo uma maneira eficiente e económica de converter diretamente a energia solar em energia elétrica e assim diminuir o recurso às energias não renováveis, como os combustíveis fósseis. A presente dissertação teve como tema principal o estudo e caracterização de filmes finos funcionais para aplicação nestes sistemas com o objetivo de conferir propriedades óticas melhoradas e, assim, dar uma resposta mais eficiente à crescente procura deste tipo de tecnologia fotovoltaica em sistemas de integração arquitetónica. Posto isto, diferentes tipos de luminóforos foram incorporados em matrizes poliméricas, usadas como guias de onda, de forma a absorverem e converterem a luz solar por processos de conversão por downshifting. Esta abordagem resultou no aumento da densidade de corrente e da eficiência dos sistemas em estudo, diminuindo também o risco de degradação dos seus componentes sob radiação UV. Adicionalmente, desenvolveramse soluções para implementar nestes sistemas revestimentos com funções de barreira térmica de forma a proporcionar um maior conforto térmico no ambiente interior. Os resultados mais promissores foram obtidos com uma estrutura de TiO2/Al/TiO2 com características mínimas de refletância que garantem a redução da temperatura interna do edifício bem como a transmitância mínima no visível para integração em janelas e fachadas transparentes de edifícios. Este trabalho baseou-se na síntese de materiais e na caracterização dos filmes desenvolvidos, metálicos e de base polimérica, através de diversas técnicas como: espetroscopia UV-Vis NIR, espetroscopia de fluorescência, espetroscopia de Infravermelho com transformada de Fourier, análise termogravimétrica, microscopia ótica e perfilómetria. Para além da análise química e morfológica dos materiais, o desempenho dos protótipos de conversão de energia solar foi avaliado com base na determinação das curvas características I-V (corrente vs. potencial) que permitem estudar o funcionamento destes sistemas em condições normalizadas de irradiância e temperatura.

Technologies such as dye-sensitized solar cells and luminescent solar concentrators represent a promising alternative for the generation of photovoltaic energy. They are an efficient and economical way to directly convert solar energy into electric energy, reducing the use of nonrenewable energy such as fossil fuels. The present dissertation aimed at the study and characterization of functional thin films for application in these type of systems, improving their optical properties and providing alternative solutions for the growing demand of photovoltaic technology in architectural integrated systems. Different types of luminophores were incorporated into the polymeric matrix used as a waveguide to absorb and convert sunlight, re-emitting at higher wavelengths through a downshifting conversion processes. In this way, an increase in the spectral absorption range and, consequently, in the energy efficiency conversion of the photovoltaic system is expected, in combination with better resistance to UV photodegradation of its components. To use this technology in building integrated windows and to provide better thermal comfort in the building internal environment, solutions have been developed to implement coatings with thermal barrier function. The most promising results were obtained with a multilayer film structure of TiO2/Al/TiO2 with adequate reflection and transmission spectra in the NIR and visible region, respectively, to ensure thermal comfort and light transmission in windows and transparent building façades. This work was based on the synthesis of materials and the development of metallic and polymeric based films. A characterization of the prepared films was made by UV-Vis NIR spectroscopy, fluorescence spectroscopy, Fourier-transform infrared spectroscopy, thermogravimetry, optical microscopy and profilometry. In addition to the materials’ chemical and morphological analysis, the performance of the solar energy conversion prototypes was evaluated based on the I-V (current vs. voltage) characteristic curves determination, enabling the study of the operation of these systems under irradiance and temperature standard conditions.