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.
Esquema da fissão de singletos.
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 ⅓ 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.
Tecnologia sustentável
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 2 elétrons para cada fóton).
Embora certos materiais, como o tetraceno, possam suportar esse processo, capturar essas cargas de forma eficiente tem-se mostrado difícil.
Os pesquisadores capturaram elétrons extras gerados por um único fóton, alcançando um rendimento quântico de 130%, elevando os limites de eficiência das células solares.
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.
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