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Os pesquisadores de Yale desenvolveram uma célula solar com desempenho 22,5% melhor do que as células solares orgânicas convencionais.
Usando uma técnica que imita como as plantas usam a energia solar e forçando duas moléculas incompatíveis a trabalharem juntas para cobrir todo o espectro de cores, os engenheiros da Universidade de Yale aumentaram significativamente a eficiência das células solares de polímero.
Os pesquisadores, do Laboratório de Materiais e Dispositivos Transformativos do Dr. Andre Taylor, desenvolveram uma célula solar que teve um desempenho 22,5% melhor do que as células solares orgânicas convencionais. Seus resultados foram publicado on-line este mês no Journal of Materials Chemistry A demonstrando uma eficiência de conversão de energia de 8,7 por cento.
A maioria das células solares comerciais hoje são feitas de silício. Mas as células poliméricas custam menos e pesam menos, o que as torna uma alternativa atraente. O problema é que eles não são muito eficientes – eles não conseguem converter quase metade da energia luminosa absorvida em energia elétrica. Isso ocorre em parte porque os polímeros usados nessas células não se alinham bem o suficiente para permitir que a energia saia facilmente da célula.
No entanto, como os polímeros têm uma flexibilidade mecânica que as células de silício não têm, os investigadores têm esperança de encontrar formas de contornar estas deficiências.
“Estamos começando a nos aproximar dos limites das melhorias que podem ser feitas com células solares convencionais de silício”, disse Taylor. “Mas com polímeros orgânicos você pode ajustá-los e fazer coisas com resultados significativos.”
Num estudo de 2013 na Nature, o laboratório de Taylor foi o primeiro a mostrar que isto pode ocorrer entre moléculas pequenas e um polímero conhecido como P3HT. Agora está demonstrando alguns desses mesmos benefícios em misturas de polímeros.
As células solares orgânicas convencionais, conhecidas como células solares binárias, têm um polímero servindo como doador de elétrons e um derivado de fulereno como aceitador de elétrons. As células ternárias – o tipo utilizado neste estudo – podem ter dois doadores e um aceitador ou um doador e dois aceitadores. Na maioria dos casos, porém, as células ternárias mais eficientes geralmente têm dois doadores e um aceitador, uma vez que os doadores são predominantemente responsáveis pela absorção de luz.
O estudo mais recente utiliza dois polímeros, P3HT e PTB7, que são moléculas sensíveis à luz conhecidas como cromóforos. Em certo sentido, os dois são complementares: o P3HT absorve o lado azul esverdeado do espectro de luz, enquanto o PTB7 absorve principalmente o espectro amarelo-vermelho. Juntos, os dois cobrem uma grande parte do espectro de luz visível. Em vez de trabalhar de forma independente, a proximidade dos dois polímeros também facilita a ocorrência do que é conhecido como transferência de energia de ressonância de Förster (FRET). É quando a energia é transferida entre dois cromóforos por longas distâncias.
O problema é como esses dois polímeros se alinham.
“Estamos misturando dois tipos diferentes de polímeros, para que eles se alinhem de maneiras diferentes”, disse TengHooi Goh, principal autor do artigo. “O P3HT se alinha de forma que parece uma parede e o PTB7 está posicionado mais como uma pilha de panquecas.”
“Eles funcionam bem opticamente, mas o alinhamento contraditório é ruim para o transporte de elétrons”, acrescentou Taylor, autor sênior do artigo.
Para contornar esse problema, os pesquisadores utilizaram uma técnica conhecida como recozimento por vapor de solvente (SVA), na qual modificam quimicamente as propriedades dos polímeros para melhor alinhamento. O método mais comumente usado é o recozimento térmico, mas descobriu-se que o calor diminui o desempenho dos polímeros. Goh disse que o SVA pode potencialmente resolver problemas de alinhamento incompatíveis em sistemas poliméricos complexos e levar a eficiência da energia fotovoltaica orgânica a novos patamares.
Os outros autores do artigo, “Células solares ternárias de polímero-polímero pancromático aprimoradas por transferência de energia de ressonância de Förster e recozimento de vapor de solvente”, são Jing-Shun Huang, Benjamin Bartolome, Matthew Y. Sfeir, Michelle Vaisman e Minjoo Lee.
Referência: “Células solares ternárias de polímero-polímero pancromáticas aprimoradas por transferência de energia de ressonância Förster e recozimento de solvente” por Tenghooi Goh, Jing-Shun Huang, Benjamin Bartolome, Matthew Y. Sfeir, Michelle Vaisman, Minjoo L. Lee e André D. Taylor, 4 de agosto de 2015, Revista de Química de Materiais A.
DOI: 10.1039/C5TA04905A