Estado Excitado: Nova Era de Células Solares de Alta Eficiência

Células solares no passado tinham limite em sua eficiência. Em uma célula solar convencional baseada em silício, cada fóton de luz que atingia a superfície da célula liberava um elétron. Fótons com maior energia não faziam diferença, pois não podiam extrair elétrons adicionais. Pesquisadores desenvolveram agora um método inovador para obter fótons de luz de alta energia para liberar dois elétrons em vez de um, abrindo caminho para um novo tipo de célula solar com maior eficiência.

A maior eficiência teórica possível alcançada por células solares convencionais é 29,1%. Nos últimos anos, pesquisadores do MIT e outros locais desenvolveram novo método para aumentar a eficiência das células.

Demonstrações Iniciais

O princípio desta tecnologia é conhecido e sua demonstração já foi realizada. No entanto, levou anos para esta tecnologia se tornar operacional. Estudos anteriores demonstraram a liberação de dois elétrons de um fóton de luz para células fotovoltaicas orgânicas. No entanto, células solares de silício são mais eficientes que células solares orgânicas. Quando testes foram conduzidos em uma célula solar com camada superior composta de tetraceno, a transferência de dois elétrons não foi direta. Embora esta tecnologia tenha sido conceituada há 4 décadas, sua praticidade está agora se tornando realidade.

Processo de Excitação

A tecnologia envolve o uso de éxcitons, grupo de materiais que contêm estados excitados. Eles permitem a divisão de energia de um fóton em dois elétrons. Éxcitons são pacotes de energia como elétrons que se propagam em um circuito. No entanto, têm propriedades diferentes comparadas aos elétrons. Neste processo, fissão de éxciton singlete é realizada, onde energia de luz é dividida em dois pacotes independentes de energia móvel. Célula solar de silício absorve um fóton e forma um éxciton, que sofre reação de fissão para formar dois estados excitados, onde cada pacote de energia possui metade da energia do estado inicial.

Resolvendo Desafios

Acoplar a energia obtida do fóton ao silício era difícil, pois é um material não-excitônico. A equipe de pesquisa tentou acoplar a energia da camada excitônica em minúsculas partículas semicondutoras conhecidas como pontos quânticos. Foi quando ocorreu o avanço na tecnologia de células solares, onde ambos eram inorgânicos e excitônicos. Isso levou ao desenvolvimento de uma célula solar de silício mais eficiente.

Papel da Química de Superfície

As transferências de energia são possíveis não devido ao volume do material, mas devido à superfície do material. A equipe de pesquisa conseguiu obter os resultados desejados devido ao foco na química de superfície do silício. Isso ajudou na determinação dos estados de superfície presentes. A solução está em uma fina camada intermediária, na interface entre a camada de tetraceno e a camada de célula de silício. O material intermediário usado é oxinitreto de háfnio, que tem poucos átomos de espessura e atua como ponte para os éxcitons. Esta nova tecnologia elevou a eficiência teórica máxima de 29,1% para 35%.

Escopo

Embora o acoplamento eficiente dos dois materiais tenha sido alcançado, otimização adicional de células de silício é necessária para este processo. Há necessidade de as células serem mais finas que as versões atuais. Estabilização de materiais para durabilidade também deve ser trabalhada. Levará alguns anos para o produto estar disponível comercialmente. Outros métodos para melhorar eficiência envolvem adição de outros tipos de células como camada de perovskita sobre silício.