Nanopilares de um único cristal semicondutor criam célula solar 3-D

Redação do Site Inovação Tecnológica - 13/07/2009

Versão flexível da nova célula solar, obtida pela remoção do substrato de alumínio e incorporando a estrutura 3-D em plástico transparente.
[Imagem: Lawrence Berkeley National Laboratory]

Pesquisadores norte-americanos demonstraram que é possível fabricar um novo tipo de célula solar utilizando materiais nanoestruturados flexíveis e de baixo custo.

A nova técnica consiste em cultivar cristais semicondutores para formar minúsculos pilares, criando uma estrutura uniforme onde cada pilar é formado por um único cristal semicondutor.

Nanofloresta

Uma célula solar fotovoltaica tradicional tem uma estrutura planar, bidimensional. Sem grande surpresa, as simulações em computador demonstram que a estrutura tridimensional da floresta de nanopilares é muito mais sensível à luz, graças à maior superfície de material semicondutor.

Apesar das previsões, as tentativas de fabricar esses semicondutores em forma de pilar vinham sendo frustrantes até agora - as células solares tridimensionais apresentavam uma eficiência na conversão luz-eletricidade entre 1 e 2%.

Esses resultados são devidos principalmente à forma como os nanopilares eram fabricados, por meio de um processo chamado crescimento epitaxial. A técnica resulta em pilares com dimensões irregulares e aleatórias, baixa densidade de pilares sobre o substrato e falta de alinhamento das "árvores na floresta." Além de ineficiente, o material sai caro demais.

Semicondutor de cristal único

"Semicondutores de cristal único são muito promissores, mas as formas tradicionais de fabricá-los não são economicamente viáveis," explica o Dr. Ali Javey, da Universidade da Califórnia, em Berkeley.

Javey e seu grupo agora criou uma nova técnica para a fabricação desses semicondutores de cristal único formando estruturas densas, bem alinhadas e com dimensões controladas.

Os pilares são feitos de cádmio, um material rico em elétrons, crescidos sobre uma folha de sulfeto de alumínio. Uma série de poros perfurados previamente na folha de alumínio garantem a distribuição perfeita dos nanopilares.

Depois de crescer a estrutura inicial, o material é submerso em telureto de cádmio, um material rico em lacunas, ou ausências de elétrons. O telureto de cádmio funciona como uma janela para coletar a luz.

Os dois materiais se unem para formar uma célula solar, na qual os elétrons dos pilares de cádmio, atingidos pelos fótons da luz solar, migram para a região cheia de lacunas do telureto de cádmio. Daí os elétrons são captados por eletrodos de uma liga de cobre e ouro e enviados para o lado de fora da célula solar.

Células solares de baixo custo

A eficiência do primeiro protótipo alcançou 6%, o que ainda está bem abaixo da faixa de 10 a 18% de eficiência das células solares disponíveis comercialmente. Contudo, os eletrodos de cobre-ouro usados no protótipo não são transparentes, atrapalhando a entrada de luz. Isso, em conjunto com futuros aprimoramentos da qualidade da floresta de nanopilares, torna o novo projeto muito promissor.

"Há inúmeras formas de melhorar os nanopilares fotovoltaicos tridimensionais para um desempenho mais elevado, além de formas de simplificar também o processo de fabricação, mas a técnica já se mostrou imensamente promissora para baixar o custo das células solares," diz Javey.

Um dos elementos para tamanho entusiasmo do pesquisador é que eles foram capazes de fabricar uma versão totalmente flexível da nova célula solar 3-D, que manteve a mesma eficiência mesmo depois de ser flexionada inúmeras vezes.

Outro dado a ser ressaltado é que este é o mais alto rendimento apresentado por células solares baseadas em nanoestruturas, mostrando potencial para futuros melhoramentos.

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