Descoberta nova quasipartícula atuando nas células solares

Redação do Site Inovação Tecnológica - 24/04/2015

O "polaron positivo" é uma quasipartícula composta pela carga positiva (lacuna) e pela sua interação com o seu ambiente.
[Imagem: Patrick Rinke/Aalto University]

Polarons

Pesquisadores alemães e finlandeses desvendaram um passo importante na conversão da luz solar em energia armazenável.

Eles descobriram como se dá a formação dos chamados polarons em um material essencial para a geração de energia fotovoltaica - a conversão da luz em eletricidade.

Essas quasipartículas - ou pseudopartículas - viajam através do material fotoativo até serem convertidas em energia elétrica ou química em uma interface no interior do material.

A natureza vem usando esse processo há bilhões de anos, na fotossíntese, para formar carboidratos com a ajuda da luz solar.

As células solares, ou células fotovoltaicas, fazem algo parecido, mas de forma muito mais complicada e ainda longe de ser completamente compreendida.

Conversão fotovoltaica

"A conversão dos fótons, ou seja, das partículas de luz, em eletricidade, é feita em várias etapas," explica o professor Christof Woll, do Instituto de Tecnologia Karlsruhe e um dos membros da equipe.

Primeiro, a luz é absorvida pelo material fotoativo, com os fótons arrancando elétrons de suas posições na rede atômica, o que gera lacunas, as cargas positivas. Os pares elétron-lacuna são estáveis por apenas uma fração de segundo, podendo rapidamente decair, ou reemitindo outro fóton, ou se separando e se movendo pelo material de forma independente.

Como elas irão se comportar neste segundo caso é algo que depende do material fotovoltaico. Na maioria dos materiais, as lacunas livres não são estáveis, convertendo-se em um polaron, o que pode envolver perda de energia - não confundir os polarons com os polaritons ou com os plásmons.

O que parece mais estranho em relação ao polaron é que esta nova quasipartícula descrita agora é composta pela carga positiva e pela sua interação com o seu ambiente.

Esses polarons são estáveis por um tempo muito mais longo dos que as lacunas isoladamente, o que permite que eles viajem através do material fotoativo até que serem convertidos em energia elétrica ou não, ou seja, desempenhando um papel essencial para a eficiência da célula solar.

Polarons de cargas positivas

Usando uma técnica inédia, chamada IRRAS (sigla em inglês para espectroscopia de absorção por reflexão infravermelha), com uma resolução temporal de 100 milissegundos, a equipe rastreou as "impressões digitais" dos polarons associados com as cargas positivas.

Essas impressões digitais aparecem na forma de intensas bandas de absorção nos cristais de óxido de zinco.

Segundo os pesquisadores, os dados mostram de forma inequívoca que essas marcas são geradas pelos chamados "polarons de lacunas" - até agora, os polarons eram tipicamente associados com elétrons.

Compreendendo a participação de mais esse ator na conversão da energia solar em eletricidade torna-se possível projetar materiais fotovoltaicos mais eficientes ou até mesmo materiais que armazenem essa energia para uso posterior.

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