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Título: Síntese e caracterização de xerogéis aílica/orgânico dopados com cério visando a aplicação como filtro UV para painéis fotovoltaicos
Título(s) alternativo(s): Synthesis and characterization of silica/organic xerogels doped with cerious, aiming for application as a UV filter for photovoltaic panels
Autor(es): Gemelli, Jefferson Cristiano
Orientador(es): Sandrini, Marcelo
Palavras-chave: Sistemas de energia fotovoltaica
Coletores solares
Análise térmica
Sílica gel
Photovoltaic power systems
Solar collectors
Thermal analysis
Silica gel
Data do documento: 25-Ago-2023
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Pato Branco
Citação: GEMELLI, Jefferson Cristiano. Síntese e caracterização de xerogéis sílica/orgânico dopados com cério visando a aplicação como filtro UV para painéis fotovoltaicos. 2023. Dissertação (Mestrado em Tecnologia de Processos Químicos e Bioquímicos) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Pato Branco, 2023.
Resumo: A tecnologia fotovoltaica se mostra a mais promissora para a transição energética mundial, buscando reduzir o consumo de combustíveis fósseis substituindo os por fontes renováveis e de baixo custo ambiental. Em geral, um painel fotovoltaico é composto por um conjunto de células de silício, responsáveis por converter a radiação solar em energia elétrica, cobertas por uma placa de vidro para proteção mecânica do sistema. A junção entre as células e o vidro de cobertura é feita por um encapsulante polimérico, sendo o Etileno Acetato de Vinila (EVA) o mais utilizado. Esses materiais têm papel fundamental pois são responsáveis por, além de impermeabilizar, proteger quimicamente e mecanicamente as delicadas células de silício. Entretanto, os polímeros encapsulante mais utilizados sofrem um processo de degradação induzido pela radiação ultravioleta, o que se torna um grande desafio para estender a vida útil dos painéis. Para superar essa questão, a aplicação de filmes ou material de revestimento com propriedades de bloqueio da radiação UV pode ser uma alternativa promissora. Nesse sentido, materiais híbridos orgânico inorgânico ganham grande destaque devido às suas propriedades optimizadas oriundas da combinação das propriedades das fases constituintes, como por exemplo, flexibilidade, baixa densidade, estabilidade térmica e química, resistência mecânica, alta transparência e facilidade de produção de filmes finos. O presente trabalho propõe a síntese e a caracterização de monolitos xerogéis sílica orgânico de alta qualidade óptica dopados com cério. Os xerogéis foram preparados a base de Tetraetilortosilicato (TEOS) e 3 Glicidoxipropiltrimetoxisilano (GPTS) via processo sol gel. A caracterização por difração de raios X, análise térmica e espectroscopia no infravermelho revelam uma estrutura híbrida amorfa e estável em função da concentração de dopante, chegando até 1% em massa. A matriz não dopada apresenta uma ampla janela de transmissão e a adição de cério resulta em um deslocamento para o vermelho da borda de corte, de cerca de 300 para 410 nm, e uma leve redução na reflectância. Além disso, todas as amostras apresentam valores de índice de refração adequados, combinado com o encapsulante EVA, o que minimiza as perdas por reflexão da radiação acima de 410nm transmitida. Esses resultados apontam o do sistema GPTS/TEOS dopado com cério como promissor candidato para revestimento de filtro UV em painéis fotovoltaicos.
Abstract: Photovoltaic technology is the most promising for global energy transition, seeking to reduce the consumption of fossil fuels by replacing them with renewable and low cost environmental sources. Generally, a photovoltaic panel comprises a set of silicon cells responsible for converting solar radiation into electrical energy, covered by a glass plate for the mechanical protection of the system. The junction between the cells and the cover glass is made by a polymeric encapsulant, with Ethylene Vinyl Acetate (EVA) being the most used. These materials are fundamental because they chemically and mechanically protect the delicate silicon cells. However, the most used encapsulating polymers undergo a degradation process induced by ultraviolet radiation, which significantly challenges extending the panels' lifespan. Applying films or coating material with UV radiation blocking properties can be a promising alternative to overcome this issue. In this sense, organic inorganic hybrid materials have gained significant prominence due to their optimized properties from combining the constituent phases' properties, such as flexibility, low density, thermal and chemical stability, mechanical resistance, high transparency, and ease of production of thin films. This work proposes synthesizing and characterizing silica organic xerogel monoliths with high optical quality doped with cerium. The xerogels were prepared based on Tetraethylorthosilicate (TEOS) and 3 Glycidoxypropyltrimethoxysilane (GPTS) via the sol gel process. X ray diffraction, thermal analysis, and infrared spectroscopy characterization reveal an amorphous and stable hybrid structure depending on the dopant concentration, reaching up to 1% by mass. The undoped matrix presents a wide transmission window and adding cerium results in a redshift of the cutoff edge from around 300 to 410 nm and a slight reduction in reflectance. Furthermore, all samples exhibit suitable refractive index values, combined with the EVA encapsulant, which minimizes losses due to the reflection of the radiation above 410nm transmitted. These results point to the GPTS/TEOS system doped with cerium as a promising candidate for UV filter coating in photovoltaic panels.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/32511
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