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Type: DISSERTAÇÃO DIGITAL
Degree Level: Mestrado
Title: Desenvolvimento de células biofotovoltaicas por meio de deposição de filme do fotossistema 1 em superfície texturizada de silício
Title Alternative: Development of biophotovoltaic cells by means of film deposition of photosystem 1 on textured silicon surface
Author: Facchini, Carlos Felipe Rezende, 1982-
Advisor: Manera, Leandro Tiago, 1977-
Abstract: Resumo: Neste trabalho foi desenvolvido um processo de fabricação de células biofotovoltaicas baseadas em um filme composto por um complexo proteico, localizado nas membranas das tilacóides de cloroplastos, encontrados nas células das folhas de organismos que realizam fotossíntese. Estes complexos, conhecidos como fotossistema 1, operam como um fotodiodo para o transporte de elétrons pela membrana tilacóide e possuem uma notável eficiência quântica, próxima de 100%. Este filme foi depositado em lâminas de silício monocristalino do tipo P, que passaram por processos de texturização para formação de micro pirâmides que resultaram na diminuição da reflexão de luz e no aumento de sua área superficial, com implantação de fósforo e posterior recozimento, para a formação da região n+ e deposição de contatos elétricos de alumínio. Este estudo experimental objetivou ser referência na melhoria do processo de extração e purificação do fotossistema 1; buscou o aperfeiçoamento do processo de deposição do filme composto por este complexo proteico na superfície das células fotovoltaicas fabricadas em lâminas de Si; e analisou a integração deste filme com as superfícies polidas e texturizadas do dispositivo fabricado. A pesquisa foi desenvolvida no Centro de Componentes Semicondutores e no Departamento de Biologia Vegetal do Instituto de Biologia, ambos da Unicamp. Os resultados obtidos demonstraram a viabilidade do fotossistema 1, em células biofotovoltaicas, uma vez que as obtenções das curvas I-V mostraram que as mudanças nos processos de deposição e na geometria da superfície aumentaram a fotocorrente produzida neste dispositivo. A camada dupla de fotossistema 1 foi capaz de produzir 85,40mA na superfície texturizada, e valores menores na lâmina polida, da ordem de 21,11mA, o que mostra a eficácia do processo de texturização. A obtenção de uma solução com maior número de proteínas fotoativas e um elevado grau de pureza foi confirmada por técnica de eletroforese, cromatografia e microscopia óptica e eletrônica. Aperfeiçoamentos no processo de deposição foram observados por microscopia, que levaram a filmes mais homogêneos, com espessura média de 102'eta'm para monocamada e 201'eta'm para dupla camada, resultando em maior capacidade de produção de fotocorrentes com o aumento da espessura do filme. A validação de todo o processo de extração, purificação, deposição e análise do funcionamento de uma célula biofotovoltaica, baseada neste filme proteico, demonstra que o fotossitema 1 é um recurso natural valioso, abundante e que possui grande potencial para sua aplicação em células biofotovoltaicas. Embora este projeto tenha alcançado um expressivo progresso em termos da produção de fotocorrentes e qualidade do filme, os aumentos da potência máxima de saída e da eficiência de fotoconversão devem ser substancialmente empreendidos para a construção de células biofotovoltaicas baseadas no fotossistema 1, uma vez que tais sistemas certamente seriam competitivos com as tecnologias fotovoltaicas atuais em termos de eficiência e sustentabilidade

Abstract: In this work, a process was developed for the production of biophotovoltaic cells based on a film composed of a protein complex located in the thylakoids membranes of chloroplasts found inside the leaf cells of photosynthetic organisms. These complexes known as photosystem 1 operate as a photodiode for the transport of electrons through the thylakoid membrane and have remarkable quantum efficiency, close to 100%. This film was deposited on P type monocrystalline silicon wafers, underwent texturization processes to form micro pyramids that resulted in the reduction of light reflection and the increase of its surface area, with implantation of phosphorus and subsequent annealing for the formation of the n+ region and deposition of aluminum electrical contacts. This experimental study aimed to improve the process of extraction and purification of photosystem 1; it sought the improvement of the deposition process of the film composed of this protein complex on the surface of the photovoltaic cells manufactured in Si wafer; and analyzed the integration of this film with the polished and textured surfaces of the fabricated device. The research was developed in the Center for Semiconductor Components and in the Department of Plant Biology of the Institute of Biology, both of Unicamp. The results obtained demonstrated the viability of photosystem 1 in biophotovoltaic cells, since the results of the I-V curves showed that changes in deposition processes and surface geometry increased the photocurrent produced in this device. The double layer of photosystem 1 was able to produce 85.40mA on texturized surface and smaller values in the polished surface, generating 21.11mA, which shows the effectiveness of the texturing process. The obtaining of a solution with higher number of photoactive proteins and a high degree of purity was confirmed by technique of electrophoresis, chromatography and optical and electron microscopy. Improvements in the deposition process were observed by microscopy, which led to more homogeneous films, with a mean thickness of 102'eta'm for monolayer and 201'eta'm for double layer, resulting in a higher capacity of photocurrent production with an increase in film thickness. The validation of the entire process of extraction, purification, deposition and analysis of the functioning of a biophotovoltaic cell, based on this protein film, shows that photosystem 1 is a valuable, abundant natural resource with great potential for its application in biophotovoltaic cells. Although this project has made significant progress in terms of photocurrent production and film quality, increases in maximum output power and photoconversion efficiency should be substantially undertaken for the construction of photosynthetic 1-based biophotovoltaic cells, since such systems would certainly be competitive with today's photovoltaic technologies in terms of efficiency and sustainability
Subject: Energia renovável
Células
Silício
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2017
Appears in Collections:FEEC - Tese e Dissertação

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