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Title: Estabilização contra fotodegradação do co-polímero EVA por adição de nanopartículas de α- Al2O3/quartzo irradiado com raios gama para uso fotovoltaico.
Authors: Carvalho, Igor Alessandro Silva
metadata.dc.contributor.advisor: Branco, José Roberto Tavares
Keywords: Células solares
Nanopartículas
Radiação
Quartzo
Issue Date: 2011
Publisher: Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais. Rede Temática em Engenharia de Materiais, Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação, Universidade Federal de Ouro Preto.
Citation: CARVALHO, I. A. S. Estabilização contra fotodegradação do co-polímero EVA por adição de nanopartículas de α- Al2O3/quartzo irradiado com raios gama para uso fotovoltaico. 2011. 140 f. Tese (Doutorado em Engenharia de Materiais) – Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, 2011.
Abstract: As células solares precisam ser protegidas contra agressões do ambiente, caso contrário a eficiência de conversão fotovoltaica é reduzida. Para tanto, as células solares são encapsuladas. A radiação ultravioleta é a principal causa da degradação dos polímeros encapsulantes de módulos fotovoltaicos. A nanotecnologia tem muito a contribuir para a proteção desses polímeros contra a fotodegradação. Nanopartículas de quartzo irradiado são indicadas como estabilizadoras contra fotodegradação em função da absorção da radiação ultravioleta promovida por elas. Neste trabalho, nanopartículas de quartzo irradiado e não irradiado com raios gama foram preparadas por moagem compressiva progressiva em moinho planetário com bolas de α-Al2O3. Também foram preparados compósitos de EVA/nanopartículas de quartzo para investigar a estabilização desse polímero encapsulante frente ao envelhecimento artificial acelerado em câmara de degradação por UV durante 700h. Para as nanopartículas de quartzo, foram encontrados tamanhos médios de (6±2)x10nm e 25±5nm por 40 e 80h de moagem respectivamente. A composição química dessas nanopartículas foi obtida por espectroscopia de emissão ótica com plasma acoplado e medidas de difração de raios X (DRX), nas quais as principais contaminações identificadas foram compostos de Al e Fe. Os resultados de DRX demonstraram uma pressão máxima de 337MPa para as amostras não irradiadas e 300MPa para as irradiadas. Esses valores são significativamente menores do que valores relatados na literatura para o preparo de nanopartículas. O comportamento ótico das nanopartículas foi caracterizado por espectroscopia de UV-vis-NIR. Essas absorções foram atribuídas principalmente aos centros de cor [AlSiO4]- do quartzo criados pela irradiação e ao centros de cor F e F + da α-Al2O3 residual em função da cominuição. Os resultados também demonstraram a criação dos centros [AlSiO4]- pela cominuição sem irradiação. As espécies contribuintes para a criação dos centros de cor foram determinadas por espectroscopia na região do infravermelho com transformada de Fourier (FTIR). As absorções óticas foram principalmente associadas a correlações entre os centros [AlSiO4]-, mobilidade de h+ na rede cristalina do quartzo e compensação de carga por Na+, H+ e Li+. Em materiais encapsulantes de células solares, a transmissão da luz não deve reduzir a eficiência de conversão a partir da absorção da luz. Foi encontrada uma similaridade na absorção ótica total na região do ultravioleta para ambos os tipos de nanopartículas, com os maiores valores de transmissão característicos das nanopartículas de quartzo irradiado e cominuído por 80h. Esse comportamento ótico foi investigado por análise de mudanças estruturais durante a cominuição de cristais irradiados e não irradiados que estão associadas à transmissão da luz. Espalhamento Raman, DRX e microscopia eletrônica de transmissão (MET) foram utilizadas para a realização dessas caracterizações. O valor da intensidade integrada do principal plano cristalino do quartzo (101) foi significantemente reduzido para amostras irradiadas e cominuídas por 80h, alcançando valores até 50% menores se comparados às mesmas amostras cominuídas por 40h. A constante de rede (d = 3,34) e o volume da célula unitária (V ~ 113 Å) permaneceram constante, sugerindo nenhuma deformação das espirais de SiO4 do tetraedro ao longo do eixo c do quartzo. Os resultados demonstraram uma distribuição de partículas com estruturas predominantemente amorfas e predominantemente cristalinas. Partículas com maior desordem superficial foram produzidas pela associação da irradiação do quartzo e cominuição por 80h. Essa maior desordem estrutural foi associada à maior transmissão de luz na região do visível e infravermelho. Dentre os compósitos de EVA/nanopartículas, conclui-se que os que foram preparados pela mistura do EVA com nanopartículas de quartzo irradiado e cominuídas por 80h apresentaram a melhor estabilização frente à fotodegradação.
metadata.dc.description.abstracten: Solar cells must be protected against aggressive environment; otherwise the photovoltaic efficiency conversion is reduced. Thus, solar cells are encapsulated. Ultraviolet radiation is the mainly degradation cause of solar cells polymeric encapsulants films. The nanotechnology has much to contribute for the protection from ultraviolet radiation. The use of nanoparticles of γ-irradiated quartz as fillers against photodegradation for these polymers is suggested due to these particles absorption of ultraviolet radiation. In this work, gamma irradiated and unirradiated quartz nanoparticles were produced with a planetary mill by applying progressive compressive milling with α-Al2O3 balls. It was also produced composites of EVA/quartz nanoparticles to investigate the stabilization of this encapsulant polymer front to artificial accelerated ageing in UV degradation chamber for 700h. For quartz nanoparticles, it was found average sizes values of (6±2)x10nm and 25±5nm for 40 and 80h of milling, respectively. The nanoparticles chemical composition was obtained by coupled plasma optical emission spectroscopy and X-ray diffraction (XRD) measurements in which the mainly contaminations were Al and Fe compounds. XRD results showed maximum pressure of 337MPa for unirradiated samples and 300MPa for the irradiated ones, these values are significantly lower than literature related to 40h of applied pressure. Optical absorption behavior of the nanoparticles was characterized by UV-vis-NIR. These absorptions were mainly attributed to quartz [AlSiO4]- color centers created by irradiation and to residual α-Al2O3 F and F+ color centers due to comminution. Results also showed the creation of [AlSiO4]- color quartz by comminution without irradiation. The contributing species for color centers creation was determined by FTIR spectroscopy. The optical absorptions were mainly associated to correlations between [AlSiO4]- color centers, h+ mobility in quartz lattice and Na+, H+ and Li+ charge compensation. In encapsulating materials for solar cells light transmission should not reduce the efficiency of conversion from light absorption. It was found a similar total optical absorption on ultraviolet range to both kind of nanoparticles, with higher light transmission in visible and NIR range being characteristic of irradiated ones, milled for 80hs. This optical behavior understanding was sought based the structural changes during comminution of γ-irradiated and unirradiated quartz crystals and nanoparticles which are associated to transmission of light. Raman light scattering, XRD and transmission electronic microscopy (TEM) were used to these characterizations. The value of the integrated intensity of the main quartz crystal plane (101) was significantly reduced for irradiated samples comminuted for 80hs, reaching values lower than 50% compared to the same samples comminuted for 40 hours, while the unirradiated quartz nanoparticles suffered minor changes. The lattice constant (d = 3.34) and cell volume (V ~ 113 Å) stay unchanged, suggesting no deformation of the spirals of SiO4 tetrahedra along the c axis of quartz. The results showed a micro structure distribution from mainly amorphous to mainly crystalline particles. Particles with higher micro structure surface disorder were produced by 80hs of comminution of γ-irradiated quartz. This surface disorder was associated herein to the higher amount of visible and infrared light transmission. The surface of these particles was classified as crystal structures under trative tension stabilized at ambient pressure by regions consisting of densified vitreous nanophases dispersed in a matrix. The main responsible of structural disorder in the crystal lattice of quartz was assumed to be γ-irradiation associated to comminution. For the EVA/quartz nanoparticles composites, it was found that the composite made from the co-polymer EVA and nanoparticles of irradiated quartz which best kept stabilized under UV degradation. In this way, it was concluded that nanoparticles of γ-irradiated quartz are those who better attempted to polymer stabilization under UV degradation associated to higher visible-NIR light transmission.
URI: http://www.repositorio.ufop.br/handle/123456789/2795
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