Obtenção de pontos quânticos de carbono via top-down e bottom-up para avaliação em potencial uso como fotossensibilizadores em tinta solar híbrida

Abstract

Pontos quânticos de carbono (C-dots) possuem propriedades optoeletrônicas, como absorção ótica na região do visível do espectro eletromagnético e geração de fotocorrente, o que os tornam promissores em aplicações em células fotovoltaicas. Podem ser obtidos por processos de sínteses simples e com um baixo custo de produção, além de não possuírem toxicidade quando comparados aos pontos quânticos de semicondutores inorgânicos. Nesse contexto, esse trabalho se propôs a testar dois diferentes métodos de síntese para produzir pontos quânticos de carbono, comparando as diferenças obtidas na estrutura e propriedade desses nanomateriais, e avaliar o seu uso como sensibilizador no fotoanodo de uma célula fotovoltaica. Para a síntese eletroquímica os pontos quânticos foram obtidos através da esfoliação eletroquímica de grafite, e na síntese hidrotérmica teve o ácido cítrico como precursor. Além disso, os pontos quânticos obtidos pela síntese hidrotérmica foram dopados com nitrogênio (ureia) e nitrogênio/enxofre (cisteína), de forma a compor no total um conjunto de três amostras diferentes. Foram avaliadas as propriedades ópticas dos pontos quânticos formados, bem como suas propriedades eletroquímicas, a sua morfologia e dispersão. As técnicas de caracterização utilizadas foram: Espectroscopia no Infravermelho com Transformada de Fourier (FT-IR) e Medidas de Fotoluminescência (PL) e Espectroscopia no ultravioleta ? visível (UV-Vis), além de Espalhamento Dinâmico da Luz (DLS), Voltametria cíclica (CV), além de Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM). Os C-dots obtidos foram incorporados ao óxido de titânio (TiO2), compondo uma tinta fotossensível usada para construir um fotoanodo híbrido C-dots/TiO2, e o sistema foi testado em uma configuração de célula sanduíche em um sistema fotovoltaico. A técnica usada para a caracterização e viabilidade do sistema fotovoltaico se deu através da medição de curvas de fotocorrente-tensão (j-V), sob irradiação artificial de uma lâmpada de luz quente de 3000 K (12 W de potência). As análises permitiram observar a formação de C-dots em todas as sínteses realizadas, com a formação de aglomerados. O nitrogênio foi identificado nas amostras dopadas, favorecendo a absorção em região menos energética do espectro eletromagnético. Foi possível observar que a propriedade de fluorescência é ajustável com os grupos de superfície. Todos os C-dots obtidos se mostraram promissores no uso como fotossensibilizadores em célula fotovoltaica, demonstrando propriedade de fotorresposta, com destaque para a amostra C-dot-U a qual, de forma geral, apresentou notáveis propriedades na maior parte das técnicas de análise empregadas.

Abstract: Carbon quantum dots (C-dots) have optoelectronic properties, such as optical absorption in the visible region of the electromagnetic spectrum and photocurrent generation, which make them promising in applications in photovoltaic cells. They can be obtained by simple synthesis processes and with a low production cost, in addition to not having toxicity when compared to the quantum dots of inorganic semiconductors. In this context, this work proposed to test two different synthesis methods to produce carbon quantum dots, comparing the differences obtained in the structure and properties of these nanomaterials, and to evaluate their use as a sensitizer in the photoanode of a photovoltaic cell. For the electrochemical synthesis, the quantum dots were obtained through the electrochemical exfoliation of graphite, and in the hydrothermal synthesis, citric acid was used as a precursor. Furthermore, the quantum dots obtained by hydrothermal synthesis were doped with nitrogen (urea) and nitrogen/sulfur (cysteine), in order to compose a total of three different samples. The optical properties of the formed quantum dots were evaluated, as well as their electrochemical properties, morphology and dispersion. The characterization techniques used were: Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR) and Photoluminescence Measurements (PL) and Ultraviolet-Visible Spectroscopy (UV-Vis), in addition to Dynamic Light Scattering (DLS), Cyclic Voltammetry (CV), in addition to Transmission Electron Microscopy (TEM). The C-dots obtained were incorporated into titanium oxide (TiO2), composing a photosensitive ink used to build a C-dots/TiO2 hybrid photoanode, and the system was tested in a sandwich cell configuration in a photovoltaic system. The technique used for the characterization and viability of the photovoltaic system took place through the measurement of photocurrent-voltage curves (j-V), under artificial irradiation of a warm light lamp of 3000 K (12 W of power). The analyzes allowed observing the formation of C-dots in all the syntheses performed, with the formation of agglomerates. Nitrogen was identified in the doped samples, favoring absorption in the less energetic region of the electromagnetic spectrum. Fluorescence property is adjustable with surface groups. All the C-dots obtained were promising for use as photosensitizers in photovoltaic cells, demonstrating photoresponse properties, with emphasis on the C-dot-U sample which, in general, showed remarkable properties in most of the analysis techniques employed.