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O diagrama descreve o processo de “fissão singlete”, que é o primeiro passo para a produção de dois elétrons a partir de um único fóton de luz que chega. Imagem cortesia dos pesquisadores
Em qualquer célula solar convencional à base de silício, existe um limite absoluto na eficiência global, baseado em parte no facto de que cada fóton A luz só pode libertar um único elétron, mesmo que esse fóton carregue o dobro da energia necessária para isso. Mas agora, os investigadores demonstraram um método para fazer com que os fotões de alta energia que atingem o silício expulsem dois electrões em vez de um, abrindo a porta para um novo tipo de célula solar com maior eficiência do que se pensava ser possível.
Embora as células convencionais de silício tenham uma eficiência máxima teórica absoluta de cerca de 29,1% de conversão de energia solar, a nova abordagem, desenvolvida nos últimos anos por pesquisadores da MIT e noutros lugares, poderia ultrapassar esse limite, acrescentando potencialmente vários pontos percentuais a essa produção máxima. Os resultados são descritos hoje na revista Nature, em um artigo do estudante de pós-graduação Markus Einzinger, do professor de química Moungi Bawendi, do professor de engenharia elétrica e ciência da computação Marc Baldo, e de oito outros no MIT e no Universidade de Princeton.
O conceito básico por trás desta nova tecnologia é conhecido há décadas, e a primeira demonstração de que o princípio poderia funcionar foi realizada por alguns membros desta equipe há seis anos. Mas, na verdade, traduzir o método em uma célula solar de silício totalmente operacional levou anos de trabalho árduo, diz Baldo.
Essa demonstração inicial “foi uma boa plataforma de teste” para mostrar que a ideia poderia funcionar, explica Daniel Congreve Ph.D. '15, ex-aluno do Rowland Institute em Harvard, que foi o autor principal do relatório anterior e é coautor do novo artigo. Agora, com os novos resultados, “fizemos o que nos propusemos” nesse projeto, diz ele.
O estudo original demonstrou a produção de dois elétrons a partir de um fóton, mas o fez em uma célula fotovoltaica orgânica, que é menos eficiente que uma célula solar de silício. Descobriu-se que a transferência dos dois elétrons de uma camada coletora superior feita de tetraceno para a célula de silício “não foi simples”, diz Baldo. Troy Van Voorhis, professor de química do MIT que fez parte da equipe original, ressalta que o conceito foi proposto pela primeira vez na década de 1970 e diz ironicamente que transformar essa ideia em um dispositivo prático “levou apenas 40 anos”.
A chave para dividir a energia de um fóton em dois elétrons está em uma classe de materiais que possuem “estados excitados” chamados excitons, diz Baldo: Nestes materiais excitônicos, “esses pacotes de energia se propagam como os elétrons em um circuito”, mas com propriedades bastante diferentes das dos elétrons. “Você pode usá-los para mudar a energia – você pode cortá-los pela metade, você pode combiná-los.” Neste caso, eles estavam passando por um processo chamado fissão de excitons singlete, que é como a energia da luz é dividida em dois pacotes de energia separados e que se movem de forma independente. O material primeiro absorve um fóton, formando um exciton que rapidamente sofre fissão em dois estados excitados, cada um com metade da energia do estado original.
Mas a parte complicada foi acoplar essa energia ao silício, um material que não é excitônico. Esse acoplamento nunca havia sido realizado antes.
Como passo intermediário, a equipe tentou acoplar a energia da camada excitônica a um material chamado pontos quânticos. “Eles ainda são excitônicos, mas são inorgânicos”, diz Baldo. “Isso funcionou; funcionou perfeitamente”, diz ele. Ao compreender o mecanismo que ocorre nesse material, diz ele, “não tínhamos motivos para pensar que o silício não funcionaria”.
O que esse trabalho mostrou, diz Van Voorhis, é que a chave para estas transferências de energia reside na própria superfície do material, e não no seu volume. “Portanto, ficou claro que a química da superfície do silício seria importante. Isso era o que determinaria que tipos de estados superficiais existiam.” Esse foco na química da superfície pode ter sido o que permitiu que esta equipe tivesse sucesso onde outras não tiveram, sugere ele.
A chave estava em uma fina camada intermediária. “Acontece que essa minúscula faixa de material na interface entre esses dois sistemas (a célula solar de silício e a camada de tetraceno com suas propriedades excitônicas) acabou definindo tudo. É por isso que outros pesquisadores não conseguiram fazer esse processo funcionar, e é por isso que finalmente conseguimos.” Foi Einzinger “quem finalmente quebrou a noz”, diz ele, usando uma camada de um material chamado oxinitreto de háfnio.
A camada tem apenas alguns átomos de espessura, ou apenas 8 angstroms (dez bilionésimos de metro), mas funcionou como uma “bela ponte” para os estados excitados, diz Baldo. Isso finalmente tornou possível que os fótons únicos de alta energia desencadeassem a liberação de dois elétrons dentro da célula de silício. Isso produz uma duplicação da quantidade de energia produzida por uma determinada quantidade de luz solar nas partes azul e verde do espectro. No geral, isso poderia produzir um aumento na energia produzida pela célula solar – de um máximo teórico de 29,1% até um máximo de cerca de 35%.
As células de silício reais ainda não estão no seu máximo, nem o novo material, pelo que é necessário fazer mais desenvolvimento, mas o passo crucial de acoplamento eficiente dos dois materiais já foi comprovado. “Ainda precisamos otimizar as células de silício para esse processo”, diz Baldo. Por um lado, com o novo sistema, essas células podem ser mais finas que as versões atuais. Também é necessário trabalhar na estabilização dos materiais para maior durabilidade. No geral, as aplicações comerciais provavelmente ainda levarão alguns anos, diz a equipe.
Outras abordagens para melhorar a eficiência das células solares tendem a envolver a adição de outro tipo de célula, como uma camada de perovskita, sobre o silício. Baldo diz “eles estão construindo uma célula em cima da outra. Fundamentalmente, estamos fazendo uma célula – estamos turbinando a célula de silício. Estamos adicionando mais corrente ao silício, em vez de fabricar duas células.”
Os pesquisadores mediram uma propriedade especial do oxinitreto de háfnio que o ajuda a transferir a energia excitônica. “Sabemos que o oxinitreto de háfnio gera carga adicional na interface, o que reduz as perdas por um processo chamado passivação do campo elétrico. Se conseguirmos estabelecer um melhor controlo sobre este fenómeno, a eficiência poderá aumentar ainda mais.” Einzinger diz. Até agora, nenhum outro material testado pode igualar suas propriedades.
A pesquisa foi apoiada como parte do Centro de Excitônica do MIT, financiado pelo Departamento de Energia dos EUA.
Referência: “Sensibilização de silício por fissão de exciton singleto em tetraceno” por Markus Einzinger, Tony Wu, Julia F. Kompalla, Hannah L. Smith, Collin F. Perkinson, Lea Nienhaus, Sarah Wieghold, Daniel N. Congreve, Antoine Kahn, Moungi G. Bawendi e Marc A. Baldo, 3 de julho de 2019, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-019-1339-4