Sensor de luz mágico atinge eficiência energética de 200%

Redação do Site Inovação Tecnológica - 09/03/2023

Matriz dos fotodiodos construídos pela equipe.
[Imagem: TU/e/Bart van Overbeeke]

Eficiência quântica

Quando você ouve que uma câmera digital tem "x" megapíxeis, isso significa que o sensor dessa câmera, chamado CCD, tem "x" milhões de fotodiodos, que são os píxeis individuais captadores de luz, cada um responsável por captar um dos pontos que comporá a imagem.

E não é só uma questão de quantidade de píxeis que está envolvida: Quanto mais sensíveis forem os fotodiodos individualmente, melhor será a imagem da câmera.

E as células solares também são essencialmente fotodiodos, só que nelas o interesse está nos próprios elétrons produzidos, e não na interpretação dos dados que eles representam.

Assim, é fácil ter uma ideia do ganho de qualidade que se obterá com a criação de um desses sensores que apresenta um rendimento de 200%!

Você pode pensar que eficiências de mais de 100% só são possíveis usando alquimia ou feitiçarias típicas das varinhas do Harry Potter. Mas isto pode ser feito na realidade, graças ao "mundo mágico" da eficiência quântica.

"Eu sei, parece incrível. Mas não estamos falando aqui de eficiência energética normal. O que conta no mundo dos fotodiodos é a eficiência quântica. Em vez da quantidade total de energia solar, ele conta o número de fótons que o diodo converte em elétrons," explicou o professor René Janssen, da Universidade de Tecnologia Eindhoven, nos Países Baixos.

Corrente escura

Fotodiodos são componentes semicondutores sensíveis à luz que produzem uma corrente quando absorvem fótons. Eles são usados como sensores em uma variedade de aplicações além das câmeras digitais, incluindo fins médicos, comunicação por luz, sistemas de vigilância e visão de máquina. Em todos esses domínios, a alta sensibilidade é fundamental.

Para que um fotodiodo funcione corretamente, ele deve atender a duas condições: Em primeiro lugar, deve-se minimizar a corrente elétrica que é gerada na ausência de luz, a chamada corrente escura. Quanto menos corrente escura, mais sensível o diodo; em segundo lugar, ele deve ser capaz de distinguir o nível de luz de fundo (o ruído, ou calor) da luz relevante. Infelizmente, essas duas coisas geralmente não andam juntas - pelo contrário, elas costumam ser excludentes.

Foi o pesquisador Riccardo Ollearo quem começou a resolver esse dilema ao criar um fotodiodo em série, um componente que combina uma célula inorgânica, feita de perovskita, com uma célula orgânica, feita de polímeros.

Combinando essas duas camadas - uma técnica também cada vez mais utilizada em células solares de última geração - ele conseguiu otimizar ambas as condições, atingindo uma eficiência de 70%.

"Impressionante, mas não o suficiente," disse Ollearo. "Decidi ver se poderia aumentar ainda mais a eficiência com a ajuda da luz verde. Eu sabia de pesquisas anteriores que iluminar células solares com luz adicional pode modificar sua eficiência quântica e, em alguns casos, melhorá-la. Para minha surpresa, isso funcionou ainda melhor do que o esperado. Conseguimos aumentar a eficiência da luz infravermelha para mais de 200%!"

A equipe acredita que esse ganho de eficiência quântica ocorre porque a luz verde gera um acúmulo de elétrons na camada de perovskita, criando um reservatório de cargas elétricas que é liberado quando os fótons infravermelhos são absorvidos na camada orgânica.

Como o ganho de eficiência foi obtido no infravermelho (calor), a primeira aplicação do fotodiodo deverá ser no campo médico.
[Imagem: Riccardo Ollearo et al. - 10.1126/sciadv.adf9861]

Aplicações médicas

Em vez de levar seu componente para ser testado sob o Sol, a equipe resolveu fazer o oposto.

"Optamos por um cenário interno, durante um dia ensolarado com as cortinas parcialmente fechadas. E funcionou. Queríamos ver se o dispositivo poderia captar sinais sutis, como o coração ou a respiração de um ser humano em um ambiente com luz de fundo realista," contou Ollearo.

A uma distância de 1,30 metro, o sensor detectou mudanças mínimas na quantidade de luz infravermelha emitida pelo dedo do pesquisador. Essas mudanças foram suficientes para revelar alterações na pressão sanguínea nas veias do dedo, que por sua vez indicam a frequência cardíaca. Ao apontar o componente para o peito, foi possível medir a frequência respiratória a partir de movimentos leves no tórax.

A equipe acredita que ainda dá para melhorar a eficiência do fotodiodo, mas já está de olho nas aplicações na área médica.

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