Elétrons aproximam-se da velocidade da luz e mudam energia solar

Elétrons na velocidade da luz

As células solares envolvem fótons – a partículas de luz que chegam – e elétrons – as partículas portadoras de carga que saem e geram a corrente elétrica.

Mas, tipicamente, elétrons são muito mais lentos do que os fótons, e essa discrepância está na base de várias questões envolvendo a eficiência com que as células solares produzem eletricidade.Geradores eletricidade

Para surpresa geral, incluindo alguns narizes torcidos para a notícia, Pratyush Ghosh e colegas da Universidade de Cambridge, no Reino Unido, descobriram que os elétrons podem ser “chutados” através dos materiais que compõem as células solares quase na velocidade máxima que a natureza permite, a velocidade da luz.

“Projetamos deliberadamente um sistema que, segundo a teoria convencional, não deveria transferir carga tão rapidamente,” disse Ghosh. “De acordo com as regras de projeto convencionais, esse sistema deveria ser lento, e é isso que torna o resultado tão impressionante. Em vez de se deslocar aleatoriamente, o elétron é lançado em uma explosão coerente. A vibração age como uma catapulta molecular. As vibrações não apenas acompanham o processo, elas o impulsionam ativamente.”

Os experimentos mostraram a transferência de carga ocorrendo tão rapidamente quanto o próprio movimento da molécula. Isso envolveu capturar eventos com duração de apenas 18 femtossegundos (10-15 segundo) – um segundo contém cerca de oito vezes mais femtossegundos do que todas as horas que se passaram desde o início do Universo.

Nessa escala, os átomos dentro das moléculas estão fisicamente vibrando. “Estamos efetivamente observando os elétrons migrarem no mesmo ritmo que os próprios átomos,” disse Ghosh.

Novas rotas para a fotodetecção

Esse experimento contesta décadas de regras de projeto na pesquisa da energia solar. Até agora, os cientistas acreditavam que a transferência de carga ultrarrápida exigia grandes diferenças de energia entre os materiais e um forte acoplamento eletrônico, características que podem reduzir a eficiência ao limitar a tensão e aumentar a perda de energia.

Ainda seguindo as teorias vigentes, quando a luz incide sobre os materiais solares, ela cria um pacote de energia fortemente ligado chamado éxciton, um par onde elétron e lacuna se associam, em vez de se anularem. Para que células solares, fotodetectores e sistemas fotocatalíticos funcionem de forma eficiente, esse par deve se separar rapidamente em cargas livres – quanto mais rápida for essa separação, menor será a perda de energia. Assim, essa separação ultrarrápida é considerada uma das etapas fundamentais na determinação da eficiência com que painéis solares e outros dispositivos de captação de luz conseguem converter a luz solar em energia utilizável.

O que se descobriu agora é que dá para evitar esse perde-ganha.

“Nossos resultados mostram que a velocidade máxima de separação de cargas não é determinada apenas pela estrutura eletrônica estática,” disse Ghosh. “Ela depende de como as moléculas vibram. Isso nos dá um novo princípio de projeto. De certa forma, isso nos dá um novo conjunto de regras. Em vez de lutar contra as vibrações moleculares, podemos aprender a usar as vibrações certas.”

A expectativa é que esta descoberta abra novas rotas para o desenvolvimento de tecnologias de captação de luz mais eficientes, incluindo as células solares orgânicas, os fotodetectores, dispositivos fotocatalíticos usados para produzir hidrogênio limpo e sistemas de fotossíntese artificial.