Estado de excitação! - Um avanço na tecnologia de células solares

As células solares no passado tinham um limite em sua eficiência. Em uma célula solar convencional baseada em silício, cada fóton de luz que atingiria a superfície da célula liberaria um elétron. Fótons com maior energia não fariam diferença, pois não poderiam atrair elétrons adicionais. Os pesquisadores agora criaram um novo método para obter fótons de luz de alta energia para liberar dois elétrons em vez de um, o que abre caminhos para um novo tipo de célula solar com maior eficiência.




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

Demonstrações antecipadas

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

Processo de excitação

A tecnologia envolve o uso de excitons, que são um grupo de materiais que contêm estados excitados. Eles permitem a divisão de energia de um fóton em dois elétrons. Excitons são pacotes de energia como elétrons que se propagam em um circuito. No entanto, eles têm propriedades diferentes em comparação com os elétrons. Nesse processo, ocorre a fissão do exciton singleto, onde a energia da luz é dividida em dois pacotes móveis independentes de energia. A 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 foi 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 o avanço aconteceu na tecnologia de células solares, onde elas eram inorgânicas e excitônicas. Isso levou ao desenvolvimento de uma célula solar de silício mais eficiente.

Papel da Química de Superfícies

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 da superfície do silício. Isso ajudou na determinação dos estados de superfície que estavam presentes ali. A solução encontra-se em uma fina camada intermediária, que fica na interface entre a camada de tetraceno e a camada de células de silício. O material intermediário utilizado é o oxinitreto de háfnio, que tem alguns átomos de espessura e atua como ponte para os excitons. Essa nova tecnologia elevou a eficiência teórica máxima de 29,1% para 35%.




Escopo

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