Descoberto material coletor de energia solar ultraforte

Redação do Site Inovação Tecnológica - 19/09/2022

Protótipo de uma célula solar fabricada com o novo material, que é aplicado como uma tinta.
[Imagem: ICL]

Super coletor de energia solar

Pesquisadores produziram materiais capazes de captar a luz solar em níveis superiores aos das células solares convencionais de silício, mas com uma espessura 10.000 vezes menor.

O material é o sulfeto de bismuto de sódio (NaBiS₂), que é cultivado na forma de nanocristais e então dispersos em uma solução, que pode ser aplicada para fazer filmes de 30 nanômetros de espessura.

O NaBiS₂ é composto por elementos não tóxicos que são suficientemente abundantes na crosta terrestre para uso comercial. De fato, compostos à base de bismuto já são largamente usados, de substitutos do chumbo em soldas a medicamentos de venda livre para o estômago.

"Nós encontramos um material que absorve a luz com mais força do que as tecnologias convencionais de células solares e pode ser impresso a partir de uma tinta. Esta tecnologia tem potencial para fabricar células solares leves, que possam ser facilmente transportadas ou usadas em aplicações aeroespaciais," disse Yi-Teng Huang, da Universidade de Cambridge, no Reino Unido.

As células solares orgânicas, feitas de polímeros à base de carbono, também podem ser aplicadas na forma de tinta e formarem revestimentos finos, mas elas ainda sofrem com problemas de durabilidade. Os painéis solares de silício, por sua vez, continuam sendo grossos e pesados.

Os pesquisadores também descobriram que o NaBiS₂ se manteve estável no ar ambiente durante todo o tempo do estudo, que durou 11 meses, sem necessidade de encapsulamento, o que contrasta fortemente com outros novos materiais fotovoltaicos, como as perovskitas de haleto de chumbo. Isso sugere a durabilidade a longo prazo do material, que é um requisito fundamental para células solares comerciais.

Ao contrário de tudo o que se via até agora nas células solares, o segredo do material está em sua desordem.
[Imagem: Yi-Teng Huang et al. - 10.1038/s41467-022-32669-3]

Desordem bem-vinda

A equipe descobriu que há dois fatores críticos para explicar a forte absorção de luz do sulfeto de bismuto de sódio: Os efeitos da desordem cristalina e o papel do sódio.

Os íons de sódio e bismuto no NaBiS₂ possuem tamanhos semelhantes, o que significa que, ao invés de ocuparem diferentes sítios cristalográficos (ordenados), eles ocupam o mesmo sítio (desordenado). Como resultado, a estrutura cristalina muda para sal-gema, uma substância parecida com o sal de cozinha (cloreto de sódio).

No entanto, o sódio e o bismuto não são distribuídos uniformemente no material, e essa não-homogeneidade tem um efeito significativo na intensidade de absorção.

Efeitos semelhantes foram encontrados em trabalhos recentes no composto similar AgBiS₂, mas o NaBiS₂ tem um início mais forte e nítido na absorção de luz porque o sódio, ao contrário da prata, não contribui para os estados eletrônicos em torno da bandgap do semicondutor. Como resultado, há uma maior concentração de estados eletrônicos disponíveis para absorção da luz.

"A desordem tem sido vista como inimiga das células solares. Conhecida por matar a eficiência em materiais solares convencionais como silício (Si), telureto de cádmio (CdTe) e arseneto de gálio (GaAs), os pesquisadores normalmente se concentram em evitá-la a todo custo. Este trabalho, juntamente com outros estudos recentes do nosso e de outros grupos, mostra que este não é necessariamente o caso.

"Em vez disso, se pudermos entender e controlar essa desordem, ela poderá representar uma ferramenta poderosa para ajustar as propriedades do material e obter um desempenho recorde em uma ampla gama de aplicações, não apenas células solares, mas também LEDs e termoelétricos, por exemplo. É uma perspectiva empolgante para a pesquisa de materiais," disse o professor David Scanlon, da Universidade College de Londres.

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