Novos projetos podem impulsionar as células solares além de seus limites


Os cobertores de sol a Terra com fótons suficientes a cada hora para atender às necessidades energéticas de todo o mundo por um ano. A questão é como convertê-los eficientemente em eletricidade. Mesmo sob condições laboratoriais de pequena escala, as melhores células solares de junção única do mundo – o tipo encontrado na maioria dos painéis solares – ainda maximizam a captura de 29% da energia do sol. Isso os deixa um pouco abaixo do limite de cerca de um terço que os pesquisadores solares calcularam há meio século. Mas os cientistas que estudam a energia fotovoltaica – o processo pelo qual a luz solar é convertida em eletricidade – também já suspeitavam que esse limite não é tão difícil quanto parecia.

O teto da eficiência da célula solar, conhecido como o limite Shockley-Queisser, está entre 29 e 33%, dependendo de como você a mede. Ela assume uma célula de junção única, o que significa que é feita usando apenas um tipo de semicondutor e é energizada pela luz direta do sol. Para superar o limite, os pesquisadores tentaram empilhar vários tipos de semicondutores ou usar lentes para concentrar a luz de modo que a célula receba uma explosão centenas de vezes mais poderosa que o sol. No início deste ano, o Laboratório Nacional de Energia Renovável estabeleceu um recorde mundial quando usou uma célula solar de seis junções e um feixe 143 vezes mais concentrado que a luz do sol para alcançar uma enorme eficiência energética de 47,1 por cento.

Mas essa tecnologia nunca será implantada em escala. A razão, diz Marc Baldo, professor de engenharia elétrica e ciência da computação do MIT, é que essas células solares multicamadas de altíssima eficiência são complexas e caras demais para serem produzidas como painéis solares. Para obter mais energia solar na rede elétrica, é necessário descobrir como atingir o limite Shockley-Queisser com células solares de junção única, baseadas em silício, que são relativamente fáceis e baratas de produzir. Melhor ainda seria encontrar uma maneira de aumentar o limite mais alto. E depois de uma década de trabalho, Baldo e seus colegas podem ter finalmente descoberto como.

Como detalhado em um artigo publicado na semana passada em Natureza, A equipe de Baldo revestiu as células solares em uma fina camada de tetraceno, uma molécula orgânica que efetivamente divide os fótons entrantes em dois. Esse processo é conhecido como fissão de excitons e significa que a célula solar é capaz de usar fótons de alta energia da parte azul-verde do espectro visível.

Veja como funciona. As células solares de silício geram uma corrente elétrica usando fótons que chegam para fazer os elétrons do silício entrarem em um circuito. Quanta energia isso leva? Depende de um atributo do material conhecido como seu bandgap. O bandgap do silício corresponde a fótons infravermelhos, que carregam menos energia que os fótons na parte visível do espectro eletromagnético. Fótons fora do bandgap do silício são desperdiçados. Mas aqui é onde entra o tetraceno: Ele divide os fótons azul-verdes em dois “pacotes” de energia que são cada um equivalente a um fóton infravermelho. Então, ao invés de cada fóton infravermelho libertar um elétron, um único fóton no espectro azul-verde pode liberar dois elétrons. Essencialmente, está recebendo dois fótons pelo preço de um.

Esta nova célula representa uma abordagem fundamentalmente nova para um truísmo bem conhecido na pesquisa fotovoltaica: Se você quiser passar o limite Shockley-Queisser, você tem que capturar energia de uma gama mais ampla de fótons solares. Como essa célula não depende de uma pilha cara de materiais com bandgaps diferentes para ampliar seu alcance, ela pode ser mais prática também. Baldo diz que o uso de tetraceno pode elevar o limite teórico de eficiência energética em até 35% – mais do que se pensava ser possível para células de junção única.

Embora a adição de tetraceno seja conceitualmente simples, a implementação foi menor. A razão, diz Baldo, é que se você colocar o tetraceno diretamente no silício, eles interagem de tal maneira que mata a carga elétrica. O desafio para Baldo e seus colegas foi encontrar um material que pudesse ser colocado entre os dois materiais para permitir que os pacotes de energia fluíssem do tetraceno para o silício. A literatura teórica lhes dava pouca orientação, então a equipe se engajou em um longo processo de tentativa e erro para encontrar o material de interface correto. Isto acabou por ser uma camada de oxinitreto de háfnio com apenas oito átomos de espessura.

Mas esta célula não superou nenhum registro ainda. Sua eficiência foi de cerca de 6 por cento nos testes, por isso ainda há um longo caminho a percorrer antes que possa competir com as células solares de silício existentes, quanto mais aparecer em um telhado. Mas este trabalho foi concebido apenas como uma prova do conceito de fissão de exciton em uma célula solar. Para aumentar a eficiência da célula, diz Baldo, será necessário algum trabalho de engenharia para otimizá-la para a fissão do exciton.

Nesse sentido, o que a equipe do MIT demonstrou não foi tanto uma tecnologia competitiva, mas uma nova abordagem para ir além dos limites da energia fotovoltaica existente, diz Joseph Berry, cientista sênior do Laboratório Nacional de Energia Renovável. "O que é legal aqui é que esta é uma abordagem fundamentalmente diferente da energia fotovoltaica tradicional", diz ele. "É uma ideia que existe há muito tempo, mas não foi traduzida para nenhum tipo de dispositivo funcional".

Berry e seus colegas da NREL estão explorando outras formas de promover a eficiência das células solares sem a complexidade e o custo adicionais das células com múltiplas junções. Uma das direções mais promissoras que estão sendo exploradas por Berry são as células de perovskita, que usam materiais sintéticos que têm propriedades estruturais semelhantes às da Perovskita mineral natural. As primeiras células solares de perovskita foram produzidas apenas há uma década, mas desde então elas testemunharam os ganhos de eficiência mais rápidos de qualquer tipo de célula solar até hoje.

As células de perovskita têm uma série de vantagens em relação às tradicionais células solares de silício, diz Berry, em particular sua tolerância a defeitos de material. Apenas algumas partículas indesejáveis ​​em uma célula solar de silício podem torná-la inútil, mas os materiais de perovskita ainda funcionam bem, mesmo que não sejam perfeitos. Eles também lidam com energia fotônica mais eficientemente do que o silício. De fato, uma das principais razões pelas quais o silício tem dominado a tecnologia de células solares não é porque é o melhor material para o trabalho, mas simplesmente porque os cientistas sabem muito sobre isso, devido ao seu uso difundido em tecnologias digitais.

Até agora, nenhuma dessas células solares da próxima geração encontrou seu caminho para produtos comerciais. Quase todos os painéis solares atualmente em operação estão usando células de silício de camada única tradicionais, que comprovadamente resistem aos elementos há décadas. Colocar painéis solares baseados em perovskita no campo exigirá que eles sejam estáveis ​​e possam durar 20 ou mais anos. Berry diz que várias empresas já implantaram painéis de perovskita de pequena escala, que ele espera abrir caminho para uma adoção mais ampla no futuro.

Olhando para o futuro, Berry diz que é concebível que a tecnologia de fissão de excitons em desenvolvimento no MIT possa ser combinada com células solares de perovskita para aumentar sua eficiência. "Não é uma proposta de um ou outro", diz Berry, mas a primeira fissão do exciton deve provar que é eficiente o suficiente para aplicativos do mundo real. Em última análise, obter mais luz solar na grade provavelmente envolverá um conjunto de tecnologias solares, cada uma com suas próprias vantagens.


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