Síntese de conjugados de óxido de grafeno reduzido com derivados quinolínicos para aplicação em células solares

Abstract

O uso de células fotovoltaicas, células solares (CS), em especial as células solares orgânicas (CSO) têm se apresentado como forma de energia promissora para atender de forma limpa e eficiente o crescente consumo de energia elétrica dos últimos anos e no futuro. As CSO, uma das chamadas células emergentes, têm se destacado devido aos valores crescentes de eficiência (>33 %) que vêm apresentado, e aliado ao desenvolvimento de novas ferramentas orgânicas sintéticas, propõe-se e se objetivam a potencialização das CSO, culminando em uma maior eficiência na conversão de energia elétrica por meio da rota fotovoltaica. Entretanto, um dos maiores empecilhos para a comercialização de tais dispositivos é sua instabilidade e custo do material transportador de buracos (HTM) mais eficiente até o momento, o spiro-O-MeTAD. Assim, este trabalho sintetizou grupos orgânicos acopladores com estrutura tipo doador--aceptor de derivados de azaheterocíclicos, mais precisamente quinolínicos, com rendimentos de até 40% para serem ligados covalentemente a compostos condutores derivados de carbono, principalmente óxido de grafeno reduzido (rGO – reduced graphene oxide). Estes derivados de carbono são muito vantajosos, pois além de seu menor custo e facilidade de obtenção, são estáveis em atmosfera ambiente, hidrofóbicos. Outrossim, permitirem ser funcionalizados com grupos covalentemente ligados à sua cadeia principal. Estes novos materiais poderão ter os níveis eletrônicos do material ajustados de acordo com a aplicação planejada. Este trabalho sintetizou e caracterizou com sucesso, com rendimentos superiores a 85%, derivados do grafeno (GO, rGO-OH e rGO-CHO). Estes últimos foram associados aos derivados quinolínicos em duas metodologias distintas, onde por meio de técnicas termogravimétricas foi possível sugerir o efetivo acoplamento (ligação covalente) destas substâncias. Por último, duas arquiteturas distintas de células solares foram produzidas utilizando esse novo material conjugado (rGO-CHO=aaq4) como HTM ou ETM em células solares de perovskita tendo sua eficiência testada por meio de curvas de densidade de corrente vs. potencial (JxV) chegando a uma porcentagem de conversão de energia de 9,93% frente a um padrão de 14,99%. Palavras-chave: óxido de grafeno, quinolina, células solares, perovskita.

The use of photovoltaic cells, solar cells (CS), especially organic solar cells (CSO) has been presented as a promising form of energy to cleanly and efficiently meet the growing consumption of electrical energy in recent years and in the future. The CSOs, one of the so-called emerging cells, stand out due to the increasing efficiency values (>33%) that have been presented, and combined with the development of new synthetic organics, it is proposed and aimed at enhancing the CSOs, culminating in greater efficiency in converting electrical energy through photovoltaic rotation. However, one of the biggest obstacles to the commercialization of such devices is their instability and the cost of the most efficient hole material transporter (HTM) to date, the spiro-O-MeTAD. Thus, this work synthesized groups of organic couplings with a donor- -acceptor structure of azaheterocyclic derivatives, more precisely quinolines, with yields of up to 40% to be covalently linked to conductive compounds composed of carbon, mainly reduced graphene oxide (rGO). These carbon derivatives are very advantageous, as in addition to their lower cost and ease of obtaining, they are obtained in an ambient atmosphere and are hydrophobic. Furthermore, they allow them to be functionalized with groups covalently linked to their main chain. These new materials can have the electronic material levels adjusted according to the customized application. This work was successfully synthesized and characterized, with yields greater than 85%, obtained from graphene (GO, rGO-OH and rGO-CHO). The latter were associated with quinoline calculations in two different methodologies, where using thermogravimetric techniques it was possible to suggest the effective thickness covalent bond) of substances. Finally, two specific solar cell architectures were produced using this new conjugated material (rGO-CHO=aaq4) as HTM or ETM in perovskite solar cells and their efficiency was tested using current density vs. current density curves. reaching an energy conversion percentage of 9.93% compared to a standard of 14.99%.