Nanocristais criam células solares de alta eficiência

Redação do Site Inovação Tecnológica - 24/06/2010

Cientistas descobriram como capturar os chamados "elétrons quentes", que escapam na forma de calor, superando um obstáculo crucial rumo a células solares de alta eficiência.
[Imagem: Tisdale et al./Science]

Pesquisadores da Universidade de Minnesota, nos Estados Unidos, demonstraram que é possível capturar os elétrons perdidos pelas células solares e direcioná-los para o circuito elétrico.

A descoberta, segundo eles, abre a possibilidade de construir células solares com eficiência de duas vezes a três vezes maior do que as atuais, que raramente superam os 20%.

Os elétrons capturados são aqueles que normalmente escapam do circuito da célula solar e se perdem no ambiente na forma de calor.

Elétrons quentes

Na maioria das células solares atuais, os raios do Sol incidem sobre a camada superior das células, normalmente feita de silício cristalino.

O problema é que muitos elétrons no silício absorvem quantidades excessivas da energia solar e irradiam essa energia para fora da célula solar, na forma de calor, antes que ela possa ser aproveitada.

Uma primeira abordagem para aproveitar essa energia consiste na transferência desses "elétrons quentes", tirando-os do semicondutor e levando-os para um fio, ou circuito elétrico, antes que eles percam energia.

Mas os esforços para extrair esses elétrons dos semicondutores tradicionais de silício ainda não tiveram sucesso.

Nanocristais

No entanto, quando esses semicondutores são construídos na forma de estruturas extremamente pequenas, medindo poucos nanômetros, eles formam os chamados pontos quânticos, nanocristais que possuem propriedades diferentes do silício cristalino normal.

"A teoria diz que os pontos quânticos devem retardar a perda de energia na forma de calor," conta William Tisdale, que realizou os experimentos deste novo estudo. "A grande questão para nós era saber se poderíamos também acelerar a extração e a transferência dos elétrons quentes o suficiente para agarrá-los antes que eles resfriassem."

Tisdale e seus colegas demonstraram que pontos quânticos feitos de um outro semicondutor, o seleneto de chumbo, em vez de silício, são capazes de capturar os elétrons ainda "quentes".

A seguir, os elétrons foram direcionados para uma camada de dióxido de titânio, um outro material semicondutor barato e largamente utilizado na indústria. O dióxido de titânio funciona como um fio para levar os elétrons para o circuito elétrico, elevando a potência de saída do circuito.

Células solares de pontos quânticos

Extrapolando os resultados do rendimento verificado no experimento, os cientistas calculam que é possível construir células solares de pontos quânticos com uma eficiência de 66%, praticamente três vezes mais do que as células solares disponíveis comercialmente.

"Este é um resultado muito promissor," disse Tisdale. "Nós demonstramos que você pode arrancar os elétrons quentes muito rapidamente - antes que eles percam sua energia."

O trabalho, contudo, ainda está no início. Agora os cientistas precisam construir células solares reais, usando os pontos quânticos de seleneto de chumbo e verificar cuidadosamente seu funcionamento, eventualmente escolhendo outros materiais.

O uso do dióxido de titânio também precisará ser revisto ou otimizado. Embora ele capture os elétrons quentes, os elétrons perdem parte de sua energia no próprio material. Eventualmente uma nova arquitetura de construção das células solares possa resolver o problema.

De qualquer forma, os resultados deixaram os cientistas animados. "Eu me sinto confortável em dizer que a energia solar está para se tornar um grande componente da nossa oferta energética no futuro," disse Eray Aydil, coordenador do estudo.

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