Com dinheiro do Departamento de Energia dos EUA, cientistas da Universidade Lehigh (Pensilvânia) criaram um material para painéis solares com eficiência inimaginável. Graças ao desenvolvimento, os novos painéis serão capazes de produzir até dois elétrons para cada fóton de alta energia absorvido, valor muito superior ao valor teoricamente previsto.
Fonte da imagem: Ekuma Lab/Lehigh University
Deve-se enfatizar que o valor usual da eficiência do painel e a eficiência quântica externa de um material fotovoltaico não são a mesma coisa. Ao cair no painel, alguns fótons são refletidos e a outra parte aquece o painel em vez de excitar os elétrons. Assim, o valor teórico da eficiência quântica externa (EQE) não pode ser superior a 100%, conforme indicado pelo limite de Shockley-Quisser, e a eficiência dos painéis é ainda menor. Mas que tipo de ciência é esta se não consegue ultrapassar as fronteiras do conhecido?
«Este trabalho representa um avanço significativo na nossa compreensão e desenvolvimento de soluções energéticas sustentáveis, destacando abordagens inovadoras que poderão redefinir a eficiência e a disponibilidade da energia solar num futuro próximo”, disse Chinedu Ekuma, professor de física e autor principal de um estudo. artigo na revista Science Advances.
A busca pela combinação desejada de materiais foi realizada inicialmente por meio de modelagem computacional. Então, com base nos dados obtidos, foi criado um protótipo que confirmou as incríveis propriedades do material. A amostra, como camada ativa em uma célula fotovoltaica de silício, demonstrou uma absorção fotovoltaica média de 80%, uma alta taxa de geração de portadora fotoexcitada e uma eficiência quântica externa (EQE) de 190% sem precedentes.
O salto na eficiência do material se deve em grande parte aos seus distintos “estados de zona intermediária”, níveis de energia específicos localizados na estrutura eletrônica do material de uma forma que os torna ideais para a conversão de energia solar. Esses estados têm níveis de energia dentro das faixas de energia ideais nas quais o material pode absorver a luz solar com eficiência e produzir portadores de carga – em torno de 0,78 e 1,26 eV (elétron-volts). Além disso, o material teve um desempenho particularmente bom em altos níveis de absorção nas regiões infravermelha e visível do espectro eletromagnético.
Nas células solares tradicionais, o EQE máximo é 100%, o que corresponde à geração e coleta de um elétron para cada fóton de luz solar absorvido. O novo material, como vários outros materiais promissores, demonstrou a capacidade de gerar e coletar mais de um elétron a partir de fótons de alta energia, o que aumenta a eficiência teoricamente possível dos painéis em até duas vezes ou mais.
Embora esses materiais de geração de múltiplos excitons ainda não sejam amplamente comercializados, eles têm o potencial de melhorar significativamente a eficiência dos sistemas de energia solar. No material desenvolvido por pesquisadores da Lehigh University, os estados da zona intermediária capturam a energia dos fótons que é perdida pelas células solares tradicionais, inclusive por meio da reflexão e da geração de calor.
Os pesquisadores desenvolveram um novo material usando “lacunas de van der Waals”, lacunas atomicamente pequenas entre materiais bidimensionais em camadas. Essas lacunas podem conter moléculas ou íons, e os cientistas de materiais geralmente as utilizam para inserir ou “intercalar” outros elementos para ajustar as propriedades do material. Essencialmente, nessas lacunas, várias forças intermoleculares, definidas como forças de van der Waals, mantêm firmemente as moléculas ou átomos desejados, como no caso de um novo material. Em particular, os cientistas colocaram átomos de cobre de valência zero entre o seleneto de germânio (GeSe) e o sulfeto de estanho (SnS).
«Sua resposta rápida e eficiência aprimorada indicam fortemente o potencial do GeSe/SnS intercalado com Cu como um material quântico para uso em soluções fotovoltaicas avançadas, oferecendo oportunidades para melhorar a eficiência de conversão de energia solar, dizem os desenvolvedores. “Este é um candidato promissor para o desenvolvimento da próxima geração de células solares de alta eficiência que desempenhará um papel crítico na satisfação das necessidades energéticas globais.”