Descoberto novo processo de conversão da energia solar

Redação do Site Inovação Tecnológica - 05/08/2010

A emissão termiônica de fótons junta em um único componente o mecanismo quântico das células solares com o mecanismo termal, que usa a luz do Sol concentrada para produzir eletricidade indiretamente.
[Imagem: Schwede et al/Nature Materials]

Pesquisadores da Universidade de Stanford, nos Estados Unidos, descobriram como usar simultaneamente a luz e o calor do Sol para gerar eletricidade.

A técnica tem o potencial para produzir energia solar com o dobro da eficiência dos métodos existentes, tornando-a barata o suficiente para competir com as termelétricas que queimam derivados de petróleo.

Emissão termiônica

Batizado de "emissão termoiônica de fótons otimizada", ou PETE (Photon Enhanced Thermionic Emission), o processo promete superar a eficiência tanto das atuais tecnologias de conversão fotovoltaica - os conhecidos painéis solares - quando das usinas termossolares - que usam o calor do Sol para aquecer líquidos que giram turbinas para gerar a eletricidade.

Ao contrário das células solares atualmente usadas nos painéis solares - que perdem eficiência quando a temperatura aumenta - o novo dispositivo se destaca justamente pelo bom funcionamento em altas temperaturas, o que permite seu funcionamento simultâneo no processo termossolar.

"Este é realmente um avanço conceitual, um novo processo de conversão de energia, não apenas um novo material ou uma variação levemente diferente," disse Nick Melosh, que liderou o grupo de pesquisa. "É realmente algo fundamentalmente diferente de como você pode coletar energia."

A célula solar PETE junta em um único componente o mecanismo quântico das células solares - os fótons excitam os elétrons - com o mecanismo termal - que usa a luz do Sol concentrada como fonte de energia termal para produzir eletricidade indiretamente por meio de um motor de calor.

O componente é baseado na emissão termiônica de elétrons fotoexcitados em um catodo semicondutor funcionando em alta temperatura.

Recentemente, cientistas do MIT também anunciaram a descoberta de uma nova forma de produzir eletricidade, usando nanotubos de carbono.

Conversão térmica com conversão fotovoltaica

A maioria das células solares usa o silício para converter a energia dos fótons da luz do Sol em eletricidade - o inconveniente é que essas células coletam apenas uma parte do espectro da luz, com o restante gerando apenas calor.

Se esta energia desperdiçada na forma de calor pudesse ser capturada, as células solares poderiam ser muito mais eficientes. O problema é que são necessárias altas temperaturas para fazer funcionar os sistemas baseados na conversão de energia térmica, e a eficiência da célula solar diminui rapidamente em altas temperaturas.

O que os pesquisadores fizeram agora foi encontrar uma maneira de casar a tecnologia da conversão térmica com as células solares.

O grupo de Melosh descobriu que revestir um material semicondutor com uma fina camada do metal de césio torna o material capaz de usar tanto a luz e quanto o calor para gerar eletricidade.

Uma pequena célula PETE, feita com nitreto de gálio recoberto com césio, brilha ao ser testada no interior de uma câmara de alto vácuo. Os testes comprovaram que o dispositivo converte simultaneamente luz e calor em corrente elétrica.
[Imagem: Nick Melosh]

"O que nós demonstramos é um novo processo físico que não é baseado nos mecanismos fotovoltaicos conhecidos, mas que é capaz de dar uma resposta fotovoltaica sob temperaturas muito altas," disse Melosh. "Na verdade, ele funciona melhor em temperaturas mais elevadas. Quanto mais alta a temperatura, melhor."

Coletor fototermossolar

Enquanto a maioria das células solares de silício deixa de funcionar quando a temperatura atinge 100 graus Celsius, o dispositivo PETE não atingiu sua eficiência máxima até que a temperatura estivesse bem acima de 200 ºC.

Isto significa que um coletor PETE deverá funcionar melhor em coletores solares parabólicos, que podem chegar aos 800 ºC.

Melosh calcula que o processo PETE pode chegar a 50 por cento de eficiência ou mais usando concentradores solares. Se combinado com um ciclo de conversão térmica, pode chegar a 55 ou mesmo 60 por cento - quase triplicando a eficiência dos sistemas atuais.

Os pesquisadores usaram o semicondutor nitreto de gálio no seu protótipo. A eficiência ficou abaixo do previsto teoricamente, mas eles escolheram o nitreto de gálio porque era o único material disponível que tinha mostrado sinais de ser capaz de resistir às temperaturas elevadas nas quais eles estavam interessados.

Com o material adequado - provavelmente o arseneto de gálio - a eficiência real do processo poderá chegar até a 50 ou 60 por cento. O próximo passo é testar esse e outros materiais candidatos para seu novo coletor fototermossolar.

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