QUALIFICAO DE PASTAS DE TITNIA NANOCRISTALINO PARA CLULAS SOLARES SENSIBILIZADAS POR CORANTE

Cllio Dinis Ferreira Leite

Departamento de Engenharia Mecnica

Faculdade de Cincias e Tecnologia da Universidade de Coimbra

Departamento de Engenharia Mecnica

Faculdade de Cincias e Tecnologia da Universidade de Coimbra

Agosto 2012

Cllio Leite, Qualificao de pastas de nanoparticulas de titnia

O presente relatrio, da autoria do Capito-de-Fragata Eng. Cllio Ferreira Leite, insere-se no trabalho de investigao subordinado ao tema Qualificao de Pastas de Titnia Nanocristalino para Clulas Solares Sensibilizadas por Corante, sob orientao do Professor Doutor Jos Andrade Campos, em colaborao com o LEDAP, foi aprovado pelo Departamento de Engenharia Mecnica, Universidade de Coimbra, a 29 de Agosto de 2012, visa o desenvolvimento de arranjos instrumentais e de metodologias adequadas, para qualificao de micro e nanops de xidos metlicos e de semicondutores, baseadas na medio de luz laser violeta dispersada. Um tal mtodo poder ser aplicado na qualificao das pastas de titnia utilizadas na fabricao dos foto elctrodos das clulas solares sensibilizadas por corante de titnia nanocristalino, essencial para a certificao deste tipo de dispositivos numa produo em larga escala.

Cllio Leite, Qualificao de pastas de nanoparticulas de titnia

Cllio Leite, Qualificao de pastas de nanoparticulas de titnia

Palavras-Chave

pastas de nanopartculas de titnia, qualificao e caracterizao de pastas de nanoparticulas,

medio de absorvncia por laser

Key Words

nanosized titania pastes, qualification and characterization of nanoparticle pastes, absorbance

measurement by laser

RESUMO

Este projecto visa desenvolver um mtodo simples, mas simultaneamente rigoroso e de elevada

aceitao, para qualificar micro ou nanops de semicondutores de xidos metlicos, como a

zircnia (ZrO2), titnia (TiO2) ou AZO, baseado na determinao da absorvncia ou densidade

ptica, e do perfil da curva de disperso da intensidade radiante, baseada na medio da

irradiao a vrios ngulos de disperso, de provetes contendo disperses destes materiais

numa resina, com recurso a uma fonte laser violeta (=405 nm). Estes nano materiais tm

merecido uma aplicabilidade crescente em diversas indstrias, designadamente, da solar

fotovoltaica, dos biomateriais (por exemplo prteses e materiais dentrios), de catalisadores e

a de revestimentos de elevado desempenho.

O enfoque do trabalho experimental ser realizado no desenvolvimento de mtodos para a

qualificao de nanopartculas de titnia necessrias para a produo de materiais,

nomeadamente de pastas, para a indstria das clulas solares fotovoltaicas, em particular para

a das clulas solares sensibilizadas por corante de titnia nanocristalino (nc-TiO2), tambm

conhecidas por clulas de Grtzel. A qualificao dos nanops de titnia e das respetivas pastas,

necessrios para a fabricao de foto eltrodos deste promissor tipo de clulas foto

eletroqumicas, essencial para o processo de certificao e garantia de qualidade (QC/QA) dos

produtos fabricados e reduo do nmero de rejeies durante o processo de produo.

Os processos adotados de homogeneizao, preparao das amostras, procedimentos de

operao dos instrumentos e anlise estatstica devero ser englobados no processo de

qualificao de modo a se conseguirem resultados rigorosos, comparveis e amplamente

aceitveis.

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NDICE RESUMO ........................................................................................................................................ 5

BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................................ 4

1. INTRODUO ............................................................................................................................ 6

2. TEORIA DA TRANSMISSO E DISPERSO DE LUZ .................................................................... 10

2.1 TRANSMISSO. DEFINIES. ........................................................................................... 10

2.2 DISPERSO DE LUZ ........................................................................................................... 11

2.2.1 Disperso por partculas isoladas .......................................................................... 13

2.2.2 Disperso de luz em suspenses de partculas ..................................................... 18

2.2.3 Disperso de Rayleigh (x

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LISTA DE ABREVIATURAS

A rea da seco recta da partcula ( D2/4)

(,) amplitude de vector adimensional

c concentrao de massa de partculas por volume

Cext seco-recta das partculas (m2)

D dimetro da partcula (m)

- vector do campo elctrico (Vm-1)

i- 1

I, intensidade radiante(Wm-2sr-1)

Ksca coeficiente de Kubella-Munk de disperso (m-1)

H vector do campo magntico (A m-1)

L comprimento (m)

m1 massa das partculas (Kg)

Mij- elemento da matrix de Stokes

n(D) nmero de partculas por unidade elementar de volume (m-4)

N1 ndice de refraco (complexo) N = n1 + ik1

1N Nmero de partculas por unidade de volume

P potncia radiante por unidade de volume (Wm-3)

Qext eficincia de extino

- posio radial

T Transmitncia

V- volume (m3)

absorvncia

ngulo de disperso azimutal

coeficiente de extino ou turbidez especfica

o-permitividade no espao livre (Fm-1)

fraco de volume da soluo

comprimento de onda da radiao (m)

frequncia de radiao (s-1, Hz)

turbidez ou coeficiente de atenuao (KL)

ngulo de disperso

o -permeabilidade magntica no espao livre (Hm-1)

1 densidade mssica das partculas

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BIBLIOGRAFIA

[1]A.R. Jones, Light scattering for particle characterization, Progress in Energy and Combustion

Science 25 (1999) 153

[2] M. D. Lechner, Influence of Mie scattering on nanoparticles with different particle sizes and

shapes: photometry and analytical ultracentrifugation with absorption optics, Physical

Chemistry, University of Osnabrueck, 49069 Osnabrueck, Germany

[3] The Scattering of Light by Small Particles, Advanced Laboratory, Physics 407 University of

Wisconsin Madison, Wisconsin 53706, April 2010

[4] Harutoshi Asakawa et al. Heating rate effects on the crystallization behavior of isotactic

polypropylene from mesophase - A de-polarized light transmission study,

10.1016/j.polymer.2012.04.033

[5] Brian R. Kimball, Experimental Uncertainty in Lase Based Optical Density Measurements,

U.S. Army TECHNICAL REPORT, NATICK/TR-97/018 AD

[6] Erik S. Thiele, Roger H. French*,Computation of Light Scattering by Anisotropic Spheres of

Rutile Titania, Adv. Mater. 1998, 10, No. 15

[7] J. Campos et al. Mechanims of ceramic particle formation from detonation of

metals/nitrates compositions, LEDAP, Universidade de Coimbra,

[8] L. E. McNeil*, R. H. French, Multiple scattering from rutile TiO2 particles, Acta mater. 48

(2000) 45714576

[9] ISO 13320-1 - Particle size analysis Laser Diffraction Methods

[10] Santider K. Brar, M. Verma, Measurement of nanoparticles by light-scattering!,Trends in

Analytical Cheminstry, Vol 30. No1, 2011

[11] Jones A.R., Wong W. Combust Flame 1975; 24:139-140

[12] Peter J. Clark A National Measurement Good Practice Guide No 97 - Regular Transmission

Measurements, National Physical Laboratory, ISSN 1744-0610, March 2006

[13] James M . Palmer, The measurement of transmission, absorption, emission, and reflection,

Optical Sciences Center University of Arizona Tucson , Arizona

[14] A. Ranga Rao, V. Dutta*, Low-temperature synthesis of TiO2 nanoparticles and preparation of TiO2

thin films by spray deposition, Solar Materials and Solar Cells 91 (2007) 1074-1080, 2007

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[15] Cheng-Lun Titanium Dioxide Thick Film Printing Paste for Dye-Sensitized Solar Cell, Case

Western Reserve University, Master Thesis, January 2011.

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1. INTRODUO

As nanopartculas, devido s suas propriedades fsicas e qumicas, e especialmente devido sua

pequena dimenso (100 nm), encontram aplicao crescente em numerosos produtos

industriais, comerciais e de consumo. O dixido de titnio (TiO2), conhecido por titnia, um

excelente exemplo desta tendncia. Tradicionalmente usada como pigmento branco em tintas

devido ao seu elevado ndice de refraco e utilizada em diversas aplicaes desde plsticos,

papel, cosmticos, na indstria alimentar, farmacutica, e catalisao1, a titnia, na forma de

nanopartculas, nos ltimos anos tem merecido especial ateno pela comunidade cientfica e

indstria, nacional e internacional. Uma grande parte do interesse renovado neste material

por ser essencial na fabricao das promissoras clulas solares sensibilizadas por corante2

(DSCs), tambm conhecidas por clulas de Grtzel, nomeadamente dos seus foto nodos.

Embora tenham vindo a ser testados inmeros semicondutores nanoe