Células solares superam limite fundamental e chegam a 130% de eficiência

Limite fundamental

Ficou bem demonstrado recentemente que recordes de eficiência das células solares não são o melhor indicador de que você poderá comprar painéis solares mais eficientes no futuro próximo – o caminho do laboratório para o mercado é complicado.

Mas agora o assunto é diferente: Cientistas descobriram como romper uma barreira conhecida como o “teto físico” da capacidade que uma célula solar tem para capturar a luz do Sol. Ou seja, não é só aumento de eficiência, é aumento do limite da eficiência, que teoricamente pode até dobrar.

O Sol fornece uma quantidade imensa de energia à Terra a cada instante, mas as células solares captam apenas uma pequena parte dela, uma “janela” do espectro solar.

Percy Samanamud e colegas das universidades Johannes Gutenberg (Alemanha) e Kyushu (Japão) acabam de descobrir um meio de superar essa limitação. Com sua nova tática, a equipe alcançou eficiências de conversão de energia em torno de 130%, ou seja, eles superaram o que seria o limite tradicional (100%), abrindo caminho para tecnologias solares mais avançadas.

E o mecanismo envolvido é genérico, o que significa que ele tem aplicações potenciais além da energia solar, incluindo os LEDs e outros dispositivos emissores de luz, tecnologias fotônicas e até tecnologias quânticas emergentes.

Um fóton gera dois elétrons

As células solares produzem eletricidade quando os fótons da luz solar atingem um semicondutor e transferem energia para os elétrons nesse semicondutor, colocando-os em movimento e criando uma corrente elétrica.

Mas nem todos os fótons fazem esse trabalho. Por exemplo, fótons de baixa energia, como os de uma faixa do infravermelho, não possuem energia suficiente para ativar os elétrons, enquanto os fótons de alta energia, como a luz azul, perdem sua energia extra na forma de calor. Por isso, as células solares conseguem utilizar apenas cerca de um terço da luz solar incidente, uma limitação física conhecida como limite de Shockley-Queisser.

A novidade agora é que a equipe descobriu um material – um complexo metálico à base de molibdênio – que consegue capturar a energia extra gerada por um processo chamado fissão de singletos, frequentemente descrita como a “tecnologia dos sonhos” na energia solar.

O singleto é uma molécula do semicondutor cujo elétron recebeu energia do fóton solar, e essa molécula excitada então compartilha sua energia com uma molécula vizinha que está em estado fundamental. Assim, em vez de perder o excesso de energia como calor, o estado singleto se “divide” em dois estados excitados de menor energia, chamados tripletos. Por decorrência, enquanto o padrão é 1 fóton = 1 elétron, a fissão de singletos permite que 1 fóton gere 2 elétrons (veja células solares capazes de produzir dois elétrons para cada fóton).

Embora certos materiais, como o tetraceno, possam suportar esse processo, capturar essas cargas de forma eficiente tem-se mostrado difícil.

Tecnologia líquida

Para vencer o desafio, a equipe recorreu a complexos metálicos que podem ser projetados com precisão. Eles identificaram um emissor de tripletos feito à base de molibdênio. Nesse material, um elétron altera seu spin durante a absorção ou a emissão de luz infravermelha próxima, permitindo que ele capture a energia do estado tripleto gerada pela fissão do singleto.

Quando combinado com materiais à base de tetraceno em solução, o composto coletou energia solar e gerou eletricidade com uma eficiência quântica de cerca de 130%. Isso significa que aproximadamente 1,3 complexo metálico à base de molibdênio foi ativado para cada fóton absorvido, excedendo o limite e demonstrando a produção de mais portadores de energia (elétrons) do que fótons incidentes.

Esta demonstração representa uma nova estratégia para aumentar a geração fotovoltaica, embora ainda esteja na fase de prova de conceito. A equipe agora pretende integrar os dois materiais em compostos de estado sólido, para melhorar a transferência de energia e se aproximar de aplicações práticas em células solares.