Derivados do ácido hidroxicinâmico para UV

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 3235 (2023) Cite este artigo

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Corantes naturalmente abundantes são muito atraentes para o desenvolvimento de células solares sensibilizadas por corantes (DSSCs). Derivados do ácido hidroxicinâmico, como ácido cafeico (CA), ácido ferúlico (FA) e ácido p-cumárico (PA), foram considerados para a coleta seletiva de fótons ultravioleta A (UVA) (315–400 nm). Suas propriedades espectroscópicas e eletroquímicas foram investigadas teórica e experimentalmente. Eles foram adotados com sucesso como fotossensibilizadores em DSSCs seletivos para UV e visivelmente transparentes, que exibiram uma eficiência de conversão de energia de 0,22–0,38% sob iluminação AM (massa de ar) 1,5G (global) (100 mW/cm2) e 3,40–3,62% sob irradiação UVA (365 nm, 115,22 mW/cm2), com uma correspondente transmitância de luz visível (VLT) de 49,07–43,72% e um índice geral de reprodução de cores (Ra) de 93–90.

À medida que a população urbana global cresce rapidamente, o consumo de energia nas cidades tornou-se uma das principais causas das mudanças climáticas. A integração de energia renovável nas cidades pode proporcionar uma transição para ambientes urbanos mais verdes. É importante ressaltar que os edifícios e a construção representaram 36% da demanda global de energia e 37% das emissões de dióxido de carbono (CO2) relacionadas à energia em 20201. Para mitigar esse consumo de energia, foi introduzido o conceito de edifício de energia zero (ZEB), onde a energia gerada no local é igual ou superior à energia fornecida pelas redes de abastecimento. A implementação do ZEB tornou-se obrigatória para novas construções residenciais e comerciais2, e uma maneira promissora de conseguir isso é o Building-Integrated Photovoltaics (BIPV), no qual os módulos fotovoltaicos são montados nos envelopes do edifício.

Ao longo dos anos, os avanços nas tecnologias de envidraçamento associados à arquitetura moderna de edifícios levaram ao desenvolvimento de sistemas de revestimento de vidro, como paredes cortina, paredes de janelas e sistemas de envelopes de construção. Embora o uso extensivo de sistemas de revestimento de vidro seja responsável por cargas de resfriamento no verão e cargas de aquecimento no inverno, as cortinas fotovoltaicas (PV) e as paredes das janelas são cruciais para a tecnologia de envidraçamento de última geração. Infelizmente, o desafio atual associado ao envidraçamento fotovoltaico é uma compensação inerente entre transmitância e eficiência de conversão de energia (PCE), porque as células solares convencionais absorvem a luz visível para produzir eletricidade. Recentemente, surgiram tecnologias seletivas de comprimento de onda; essas tecnologias usam materiais excitônicos que absorvem seletivamente luz ultravioleta (UV)3,4,5,6 ou quase infravermelha (NIR)7,8,9,10,11 e espera-se que tais PVs seletivos de comprimento de onda superem as limitações de semi- PVs transparentes e coloridos para aplicações BIPV.

Entre as tecnologias fotovoltaicas emergentes, as células solares sensibilizadas por corante (DSSCs) são especialmente favoráveis ​​para alcançar alta transparência na região da luz visível devido à absorção seletiva de comprimento de onda de fotossensibilizadores e ao uso de substratos de óxido condutor opticamente transparentes12,13,14,15, 16. Os fotossensibilizadores sintéticos são caros e prejudiciais ao meio ambiente e, portanto, corantes naturalmente abundantes devem ser considerados para substituir os caros processos de síntese química por processos de extração simples. Até o momento, corantes disponíveis naturalmente, como antocianina, betalaínas, flavonóides, carotenóides e clorofila, foram usados ​​para fabricar DSSCs17,18,19 e resultados representativos podem ser encontrados nas referências 18 e 19. A maioria dos corantes naturais mostra absorção de 400 a 700 nm no regime de luz visível. Por exemplo, as antocianinas exibem alta absorção em comprimentos de onda longos (por exemplo, 580–700 nm). Betacianinas e betaxantinas absorvem na faixa de 400 a 600 nm. A clorofila absorve todos os comprimentos de onda da luz visível, exceto o verde. Infelizmente, os corantes naturais, que coletam fótons UV seletivamente, não foram muito investigados nas aplicações sensibilizadas por corantes. Neste estudo, introduzimos ácidos hidroxicinâmicos (HCAs) à tecnologia seletiva de comprimento de onda como potenciais fotossensibilizadores de absorção de UV. Os HCAs possuem um esqueleto químico composto por nove átomos de carbono (C6–C3) e são o principal subgrupo de ácidos fenólicos com distribuição ubíqua no reino vegetal20. AHCs, como ácido cafeico (CA), ácido ferúlico (FA) e ácido p-cumárico (PA), são compostos fenólicos naturais abundantemente encontrados em folhas de chá, café, frutas, vegetais e grãos integrais21,22. Curiosamente, eles têm uma estrutura específica na qual um grupo carboxila é separado de um anel aromático por uma ligação dupla, formando um sistema de elétrons π. Teoricamente e experimentalmente, eles são conhecidos por exibirem forte absorbância na região do UV (220–400 nm)20,23,24,25. Portanto, investigamos a eficácia dos HCAs para a colheita de fótons UV e demonstramos DSSCs seletivos para UV e visivelmente transparentes.