Energia

Funil solar: antenas de nanotubos concentram luz em células solares

Funil solar: antenas de nanotubos concentram luz em células solares
Este filamento contém cerca de 30 milhões de nanotubos de carbono. Ele absorve a energia do Sol e reemite fótons de energia mais baixa, criando a fluorescência vista na imagem. As regiões mais vermelhas indicam intensidade de enegia maior. [Imagem: Geraldine Paulus]

Usando nanotubos de carbono, engenheiros do MIT, nos Estados Unidos, descobriram uma forma de concentrar a energia solar 100 vezes mais do que uma célula fotovoltaica de silício é capaz de capturar.

As antenas de nanotubos, quando totalmente desenvolvidas, poderão captar e focalizar a luz do Sol e permitir a criação de painéis solares menores e muito mais eficientes.

A pesquisa teve participação do físico brasileiro Cristiano Fantini, da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG).

Funil solar

Os pesquisadores batizaram o novo mecanismo de captura e concentração da luz do Sol de "funil solar".

"Em vez de ter todo o seu telhado coberto com painéis solares de células fotovoltaicas, você poderia ter pequenos spots contendo minúsculas células solares, e as antenas podem conduzir os fótons para eles," afirma Michael Strano, coordenador da pesquisa.

As células solares geram eletricidade através da conversão dos fótons de luz em corrente elétrica. Ao concentrar a luz, o funil solar aumenta o número de fótons que são canalizados para uma célula solar, que pode então gerar mais energia. Embora o mecanismo seja novo, o resultado será o mesmo dos concentradores solares.

Como captam e focam a luz, as antenas de nanotubos também poderão ser úteis em outras aplicações que necessitam concentrar a luz, como telescópios ópticos e óculos de visão noturna.

A antena de luz é formada por uma corda fibrosa de cerca de 10 micrômetros (milionésimos de metro) de comprimento e quatro micrômetros de diâmetro, contendo cerca de 30 milhões de nanotubos de carbono.

Antena de luz

O segredo do funil solar está na utilização de duas camadas de nanotubos com propriedades elétricas diferentes - especificamente, bandgaps diferentes.

Em qualquer material, os elétrons podem existir em diferentes níveis de energia. Quando um fóton atinge a superfície do material, ele excita um elétron para um nível mais elevado de energia - esse nível é específico para cada material.

A interação entre o elétron energizado e a lacuna que ele deixa para trás é chamada de exciton, e a diferença no nível de energia entre a lacuna e o elétron é conhecida como bandgap.

A camada interna da antena de luz contém nanotubos com um bandgap pequeno, enquanto os nanotubos na camada exterior têm um bandgap maior. Isso é importante porque os excitons gostam de fluir de um nível mais alto para um nível mais baixo de energia.

Neste caso, isso significa que os excitons na camada externa fluem para a camada interna, concentrando-se lá, onde podem existir em um estado de energia mais baixo (mas ainda excitado). Daí eles podem ser dirigidos para uma célula solar, que se incumbirá de gerar a eletricidade.

Célula solar com antena

Os pesquisadores ainda não construíram um sistema completo, capaz de gerar energia, mas acreditam que ele seja totalmente factível.

A interface entre o semicondutor da célula solar e os nanotubos poderia separar os elétrons das lacunas, com os elétrons sendo coletados em um eletrodo que tocar o semicondutor, e as lacunas sendo coletadas em um eletrodo que toca os nanotubos.

A eficiência dessa célula solar com antena vai depender dos materiais utilizados para fabricar os eletrodos.

Os feixes de nanotubos fabricados até agora perdem cerca de 13 por cento da energia que absorvem, mas a equipe está trabalhando em novas antenas que, segundo eles, prometem perder apenas 1 por cento.

A pesquisa partiu de um desenvolvimento recente, em que a mesma equipe descobriu um novo modo de produzir eletricidade usando os mesmos nanotubos de carbono.

Bibliografia:

Exciton antennas and concentrators from core-shell and corrugated carbon nanotube filaments of homogeneous composition
Jae-Hee Han, Geraldine L. C. Paulus, Ryuichiro Maruyama, Daniel A. Heller, Woo-Jae Kim, Paul W. Barone, Chang Young Lee, Jong Hyun Choi, Moon-Ho Ham, Changsik Song, C. Fantini, Michael S. Strano
Nature Materials
12 September 2010
Vol.: Published online
DOI: 10.1038/nmat2832




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