Células solares resistentes ao Sol

Redação do Site Inovação Tecnológica - 17/04/2003

Cientistas do Laboratório Ames, do Departamento de Energia dos Estados Unidos, afirmam ter resolvido um mistério que tem intrigado a comunidade científica por mais de 20 anos: por que as células solares degradam sob a luz do Sol? Responder corretamente a esta pergunta é essencial para o avanço das pesquisas das células solares e à produção de energia elétrica a custos competitivos.

"O problema básico é que, quando você coloca as células solares sob a luz do Sol, a eficiência começa a decair até 15 a 20 por cento em um período de poucos dias," explica Rana Biswas, físico responsável pela pesquisa.

Células solares feitas de silício amorfo hidrogenado, uma forma não cristalina do silício, absorvem luz de forma muito mais eficiente do que as células tradicionais de material cristalino. "Ao contrário de um filme grosso, de 20 micra de espessura, você pode lidar com um filme muito fino de silício amorfo, de meio mícron de espessura," explica Biswas. "Estas células são mais economicamente viáveis na medida em que elas envolvem muito menos material e tempo de processamento, questões cruciais para a indústria. Entretanto, embora o silício amorfo absorva luz de forma mais eficiente, ele sofre do efeito de degradação." Este efeito de degradação é também conhecido por efeito de Staebler-Wronski, os pesquisadores que o descreveram.

A exposição à luz causa alterações na estrutura do silício amorfo, resultando em defeitos conhecidos como ligações oscilantes - ligações que somente se desfazem quando submetidas a altas temperaturas. Falta a estas ligações um vizinho onde possam se conectar. Para remediar esta situação, elas passam a capturar elétrons, reduzindo a eletricidade produzida e, por decorrência, a eficiência da célula. A questão que se põe aos pesquisadores é: por que a luz cria as ligações oscilantes?

Para responder à pergunta, Biswas e seus colegas Bicai Pan e Yiying Ye, montaram um modelo de religação atômica computadorizada, em três níveis. O modelo é baseado nos rearranjos dos átomos de silício e hidrogênio dentro do silício amorfo hidrogenado.

No primeiro passo, a luz do Sol cria elétrons livres e lacunas (espaços deixados pelos elétrons) no material. Quando os elétrons se recombinam, eles se juntam com lacunas em ligações fracas. A energia da recombinação faz com que as ligações fracas se quebrem, criando ligações flutuantes.

Durante o segundo passo, as ligações flutuantes se quebram e passam a mover-se livremente no material. Isto ocorre quando ligações de um átomo movem-se para um átomo vizinho.

O terceiro passo mostra que as ligações flutuantes têm vida curta e logo desaparecem. Algumas recombinam-se com as ligações oscilantes, não causando defeitos no material. Mas outras saltam fora das ligações oscilantes e são aniquiladas quando os átomos de hidrogênio na rede movem-se e ocupam seu lugares.

Este modelo de religação em três etapas mostra que os defeitos no silício amorfo hidrogenado nascem quando da quebra de ligações fracas do silício, seguida pela religação de silício e hidrogênio. A pesquisa representa um significativo avanço no entendimento das origens atômicas da degradação induzida pela luz, permitindo que se iniciem estudos para que essa degradação seja eliminada.

Estes estudos já estão em andamento, focados principalmente em materiais de fase mista, uma mistura de blocos de silício cristalino incorporados em uma matriz amorfa.