Célula solar inédita gera e armazena eletricidade

Redação do Site Inovação Tecnológica - 23/11/2021

O novo dispositivo consiste em uma película fina de um material em camadas (disseleneto de tungstênio, verde) depositado sobre óxido de titânio-estrôncio (cinza).
[Imagem: Yucheng Jiang et al. - 10.1103/PhysRevLett.127.217401]

Captura e guarda eletricidade

O que pode ser melhor do que baterias armazenando eletricidade produzida por energia solar, para que você não fique sem energia à noite?

Só se for um componente que, sozinho, capture a energia solar, gere eletricidade e ainda armazene essa eletricidade para quando você precisar dela.

Pois foi justamente isto o que criaram Yucheng Jiang e seus colegas da Universidade Suzhou de Ciência e Tecnologia, na China.

O componente combina a geração fotoelétrica de cargas - é isto o que as células solares fazem - com o armazenamento dos elétrons gerados, que podem ficar guardados por até uma semana.

Ainda é um componente experimental, mas a demonstração de conceito abre uma nova linha de pesquisas no campo das energias limpas - já existe pelo menos uma célula solar que captura e armazena energia, mas funcionando de forma química, na linha da fotossíntese artificial.

Célula solar integrada com bateria

A célula-bateria consiste em uma estrutura conhecida como heterojunção de van der Waals, na qual dois materiais diferentes são unidos (hetero-junção) pelas fracas forças de van der Waals - em casos específicos, as interações de Van Der Waals também podem ser repulsivas.

Os materiais selecionados foram o disseleneto de tungstênio (WSe₂), já largamente usado como semicondutor, e o óxido de titânio-estrôncio (SrTiO₃), um material meio esquisitão, que, apesar de ser um isolante, já foi usado para fazer um condutor elétrico juntando-se a outro isolante, além de ser a estrela de um gerador nuclear beta-voltaico.

Na superfície do óxido de titânio-estrôncio, a equipe usou bombardeamento com argônio para produzir uma nuvem de elétrons que é quase bidimensional - também conhecida como "gás de elétrons", é um estado no qual os elétrons se movem de forma livre e independente.

A interface entre os dois materiais forma a conhecida junção p-n (positiva-negativa), uma estrutura comum não apenas nas células solares, mas também em quase todos os demais componentes eletrônicos.

Numa célula solar, os fótons geram pares de elétrons-lacunas, muitos dos quais se recombinam, atrapalhando a geração de eletricidade. Jiang e seus colegas estavam trabalhando justamente nisso, tentando minimizar essa recombinação, mas eles obtiveram justamente o oposto.

Acontece que a heterojunção fez com que as portadoras de carga fotoinduzidas persistissem por períodos enormes - não nano ou mesmo micro-segundos, mas dias e semanas.

Eficiência recorde no frio

Depois de iluminar seu componente com um laser azul e armazená-lo no escuro a uma temperatura criogênica por até 7 dias, a equipe ainda conseguiu extrair uma grande corrente (2,9 miliamperes) tão logo ele era conectado a um circuito: A carga gerada pela fotoeletricidade é armazenada sem se degradar consideravelmente, como em uma bateria que pode ser carregada e descarregada à vontade.

A equipe ainda está tentando entender detalhadamente o que ocorre no interior do componente, mas eles já se certificaram de que, tão logo a eletricidade é gasta, o dispositivo está pronto para ser carregado novamente. E ele atinge uma eficiência quântica externa de 93,8%, contra cerca de 50% das melhores células solares atuais.

O entendimento do mecanismo que está por trás do funcionamento dessa célula solar/bateria será crucial para que os pesquisadores comecem a procurar por outras heterojunções que consigam guardar a eletricidade a temperatura ambiente.

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