Obtenção e caracterização de filmes ultrafinos para aplicações fotovoltaicas

Abstract

Resumo:A gestão de recursos naturais, impulsionada pela crescente demanda por fontes renováveis, especialmente no setor energético, promove o estudo de novos materiais com propriedades multifuncionais. Entre esses materiais, os multiferroicos, como o (Bi,La)FeO: (BLFO), utilizados na produção de filmes finos, têm se destacado por suas propriedades ópticas, elétricas e fotovoltaicas, que os tornam promissores para aplicações em dispositivos de produção/coleta de energia sustentável. No entanto, a produção otimizada desses materiais e o controle de suas propriedades estruturais e ópticas ainda representam desafios significativos. Este trabalho investiga o impacto das condições de tratamento térmico e do número de camadas no processo de síntese e nas propriedades físicas de filmes finos de BLFO, obtidos por meio do método Pechini modificado, seguido de deposição por spin coating em substratos de óxido de estanho dopado com flúor (FTO/vidro). As amostras produzidas, variando de uma a dez camadas depositadas, foram caracterizadas quanto às propriedades estruturais, morfológicas, ópticas e fotovoltaicas usando técnicas como difratometria de Raios X, espectroscopia UV-Vis e elipsometria espectroscópica, microscopia de força atômica e caracterização da resposta fotovoltaica. Os resultados indicaram que o aumento no número de camadas promoveu maior heterogeneidade em decorrência da dispersão desigual da resina sobre o substrato, além de maior sensibilidade à máxima temperatura de tratamento térmico utilizada, resultando em uma alteração na morfologia da superfície. As análises ópticas revelaram bandas de absorção entre 368 e 430 nm, um band gap entre 2,8 e 3,0 eV, e índices de refração consistentes com a literatura. Os testes de caracterização de resposta fotovoltaica demonstraram tensões de circuito aberto de até 0,13 mV e saturação entre 0,16 e 0,26 mV, evidenciando a resposta dos filmes finos à variação de iluminação periódica e constante. Os resultados obtidos contribuem para o entendimento dos processos de produção de filmes finos multiferroicos e sua possível aplicação em sistemas fotovoltaicos à base de BiFeO3.

Abstract: The management of natural resources, driven by the growing demand for renewable energy sources, especially in the energy sector, has promoted the study of new materials with multifunctional properties. Among these materials, multiferroics, such as (Bi,La)FeO, (BLFO), used in the production of thin films, have gained prominence due to their optical, electrical, and photovoltaic properties, making them promising candidates for sustainable energy harvesting and generation devices. However, achieving optimized production and controlling their structural and optical properties remain significant challenges. This study investigates the impact of the thermal treatment conditions and the number of layers on the synthesis and physical properties of BLFO thin films, obtained by the modified Pechini method, followed by spin-coating deposition on fluorine-doped tin oxide (FTO/glass) substrates. The produced samples, ranging from one to ten deposited layers, were characterized in terms of their structural, morphological, optical, and photovoltaic properties using techniques such as X-ray diffraction, UV-Vis spectroscopy, spectroscopic ellipsometry, atomic force microscopy, and determination of the photovoltaic response. The results indicated that increasing the number of layers led to greater heterogeneity due to the uneven dispersion of the resin on the substrate, along with greater sensitivity to the highest thermal treatment temperature, resulting in modifications in the surface morphology. Optical analyses revealed absorption bands between 368 and 430 nm, a band gap ranging from 2.8 to 3.0 eV, and refractive index values consistent with the literature. Tests to determine the photovoltaic response revealed open-circuit voltages of up to 0.13 mV and saturation between 0.16 and 0.26 mV, highlighting the thin films' response to both periodic and continuous illumination variations. The obtained results contribute to a better understanding of the production processes of multiferroic thin films and their potential application in BiFeO-based photovoltaic systems.