Simulação do limiar de percolação elétrico de células orgânicas de polímero/nanotubos de carbono para aplicação de células fotovoltaicas

Abstract

No âmbito de novas tecnologias para o uso de energias renováveis, os sistemas fotovoltaicos encontram-se em crescente aplicação. As células solares sensibilizadas por corantes (DSSC – Dye-sensitized Solar Cells), em fase de pesquisa e desenvolvimento, mostraram grande potencial. Já os nanocompósitos poliméricos condutores, carregados com nanotubos de carbono (NTCs), apresentaram características atrativas, como boa condutividade, baixo peso específico e baixo valor de limiar de percolação. Com essas características apresentadas pelos NTCs, pesquisas são realizadas para substituir o material óxido condutor transparente (ITO) em células solares orgânicas. Nesse escopo, a modelagem e simulação desse limiar têm um papel de suma importância no desenvolvimento dessa tecnologia. Além de ter impulsionado a idealização deste trabalho, a modelagem e a simulação possibilitaram a realização de um estudo envolvendo a percolação elétrica de nanocompósitos, constituída por nanotubos de carbono tortuosos dispersos aleatoriamente em matriz polimérica, simulada através de um programa elaborado pelo método de Monte Carlo e apoiado no modelo do volume excluído, destinado aos sistemas matriciais bidimensionais e tridimensionais. O limiar de percolação foi simulado e analisado para diferentes razões de aspecto e frações volumétricas de carga. Como resultado, a eficiência da representação geométrica das cargas na simulação foi comprovada pelos valores dos limiares de percolação obtidos das simulações, quando o menor valor de percolação encontrado na simulação 2D foi para a maior razão de aspecto, 2500, com uma concentração de 0,383 vol.%; a simulação 3D, com a razão de aspecto de 75, mostrou a menor concentração, 0,009%. Os mesmos valores de razão de aspecto (ra) utilizados na simulação anteriormente foram aplicados, alcançando valores de condutividade na ordem de 100 S/m. Já na busca pelas características dos filmes finos ITO, na simulação 2D, o material apresentou um salto de até 10 ordens de grandeza (1016 para 106 Ω/quadrado) no valor de resistência de folha; na simulação 3D, o salto foi de 11 ordens de grandeza (1016 para 105 Ω/quadrado), mostrando que os resultados encontrados foram insuficientes para a substituição do ITO (102 Ω/quadrado). Entretanto, o algoritmo desenvolvido mostrou-se coerente em relação aos experimentos publicados na literatura.