Célula solar atinge 190% de eficiência quântica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 15/04/2024

Esquema da célula solar de película fina com CuxGeSe/SnS como camada ativa.
[Imagem: Ekuma Lab/Lehigh University]

Eficiência quântica

Um novo material fotovoltaico apresentou uma capacidade inesperada, com capacidade para aumentar drasticamente a eficiência dos painéis solares.

Um protótipo de uma célula solar que usa esse material como camada ativa apresentou uma absorção fotovoltaica média de 80%, uma alta taxa de geração de portadoras fotoexcitadas (elétrons "empurrados" por fótons) e uma eficiência quântica externa (EQE) de até 190%.

Essa eficiência quântica sem precedentes excede em muito o limite teórico de eficiência dos materiais fotovoltaicos, conhecido como Limite de Shockley-Queisser, e leva o campo dos materiais para energia solar a novos patamares.

Nas células solares tradicionais, a EQE (eficiência quântica externa) máxima é de 100%, representando a geração e coleta de um elétron para cada fóton absorvido da luz solar. No entanto, alguns materiais avançados e configurações desenvolvidas ao longo dos últimos anos demonstraram a capacidade de gerar e coletar mais de um elétron a partir de fótons de alta energia, representando uma EQE superior a 100%.

No novo material desenvolvido agora, estados da banda intermediária permitem a captura da energia dos fótons que é perdida pelas células solares tradicionais, inclusive por meio da reflexão e da produção de calor.

Embora esses novos materiais, conhecidos como MEG, sigla em inglês para Geração Múltipla de Éxcitons, ainda não estejam amplamente disponíveis comercialmente, eles têm o potencial para aumentar significativamente a eficiência dos sistemas de energia solar.

Lacunas de van der Waals

O novo material tira proveito das chamadas "lacunas de van der Waals", espaços atomicamente finos entre materiais bidimensionais, que se estruturam em camadas. Essas lacunas podem confinar moléculas ou íons, e os cientistas de materiais geralmente as usam para inserir ou "intercalar" outros elementos, de modo a ajustar as propriedades dos materiais.

Srihari Kastuar e Chinedu Ekuma, da Universidade Lehigh, nos EUA, inseriram átomos de cobre zerovalentes entre camadas de um material bidimensional feito de seleneto de germânio (GeSe) e sulfeto de estanho (SnS).

O salto de eficiência do material pode ser atribuído em grande parte aos seus distintos "estados de banda intermediária", níveis de energia específicos posicionados dentro da estrutura eletrônica do material de uma forma que os torna ideais para conversão de energia solar. Esses estados têm níveis de energia dentro dos intervalos ideais de subbandas - faixas de energia onde o material pode absorver a luz solar com eficiência e produzir portadores de carga -, entre cerca de 0,78 e 1,26 elétron-volts.

Além disso, o material funcionou especialmente bem com altos níveis de absorção nas regiões infravermelha e visível do espectro eletromagnético.

Embora a integração desse material em células solares de nível industrial ainda exija mais pesquisa e desenvolvimento, os pesquisadores salientam que a técnica experimental utilizada para criar este protótipo - a inserção precisa de átomos, íons e moléculas em materiais - já está altamente avançada, o que significa que boa parte do caminho já foi trilhada.

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