Material híbrido pode dobrar eficiência de células solares

Redação do Site Inovação Tecnológica -  08/05/2017

Esta é a estrutura da perovskita híbrida orgânico-inorgânica - CH₃NH₃PbI₃[Imagem: Libai Huang]

Perovskita híbrida

Este material, com o enigmático nome de "perovskita híbrida", pode se tornar a base de uma nova família de células solares com nada menos do que o dobro da eficiência obtida pelas mais modernas células de silício cristalino.

Sua base é um cristal da já conhecida família das perovskitas, que produzem naturalmente células solares de alta eficiência, embora ainda não muito duráveis.

Ao cristal, tipicamente inorgânico, foram adicionados elementos orgânicos - moléculas de metil-amônia - que podem tornar uma célula solar capaz de capturar até dois terços (66%) da energia do Sol, sem perder quase nada em aquecimento.

Isso é nada menos do que o dobro do que se pode conseguir com uma célula solar de silício.

"Meus estudantes de graduação aprenderam como fabricá-la em uns poucos dias," vangloria-se a professora Libai Huang, da Universidade Purdue, nos EUA.

Limites das células solares

As células solares de silício conseguem transformar apenas um terço da energia do Sol em eletricidade por causa de seu hiato de energia, ou intervalo de banda (bandgap), que é a quantidade de energia necessária para fazer um elétron sair de seu estado fundamental e passar para um estado condutor, criando a eletricidade - esse limite de eficiência é conhecido como Limite de Shockley-Queisser (33,7%).

Contudo, os fótons que chegam do Sol podem ter mais energia do que o intervalo de banda, e por um tempo muito curto - na faixa de 10^-12 segundo - os elétrons ficam com uma energia extra. Esses elétrons são chamados de "portadores quentes", e no silício eles existem por apenas um picossegundo, tempo no qual eles viajam uma distância máxima de apenas 10 nanômetros antes de dissipar sua energia como calor. Esta é uma das principais razões para a baixa eficiência das células solares.

A equipe então projetou um material que oferece as condições para que os elétrons quentes vivam por pelo menos 100 picossegundos, tempo no qual eles viajam até 200 nanômetros, permitindo o aproveitamento de toda a sua energia.

Imagens com microscópios ultrarrápidos, como estas, mostram que os elétrons movem-se mais de 200 nanômetros pelo novo material, com uma perda de energia mínima como calor. [Imagem: Libai Huang]

Eletrodos e chumbo

Mas nem tudo está pronto para que o novo material transforme-se em uma célula solar revolucionária.

Primeiro os pesquisadores terão que sintetizar eletrodos com os níveis de energia necessários para arrancar a energia extra e fazê-la fluir para fora da célula solar.

A equipe afirma que também pretende testar outros compostos para tentar substituir o chumbo presente em seu material por outros elementos menos tóxicos.

Bibliografia:

Long-range hot-carrier transport in hybrid perovskites visualized by ultrafast microscopy
Zhi Guo, Yan Wan, Mengjin Yang, Jordan Snaider, Kai Zhu, Libai Huang
Science
Vol.: 356, Issue 6333, pp. 59-62
DOI: 10.1126/science.aam7744