Híbrido de célula solar e bateria gera e armazena eletricidade

Redação do Site Inovação Tecnológica - 29/03/2022

Esquema do dispositivo que integra célula solar e bateria, graças a um novo fenômeno, batizado de "fotocondutividade recarregável".
[Imagem: Yucheng Jiang et al. - 10.1103/PhysRevLett.127.217401]

Célula solar integrada a bateria

Um sistema fotoelétrico que converte a luz solar em eletricidade e, em seguida, armazena essa eletricidade como uma bateria, pode resolver o problema da intermitência da energia solar, sobretudo do suprimento noturno de eletricidade.

Esta realização inédita - é a primeira vez que se consegue integrar células solares e baterias em um único dispositivo - foi alcançada por Yucheng Jiang e colegas das universidades Suzhou (China) e Nacional de Cingapura.

Fabricado de camadas de um semicondutor monoatômico (2D) e um condutor transparente, unidos por fracas interações de van der Waals, o novo dispositivo converte 93,8% dos fótons incidentes em corrente elétrica - muito mais do que os 50% típicos dos chamados dispositivos fotoelétricos de "alto desempenho".

O melhor de tudo é que ele consegue armazenar a carga gerada por até uma semana, tornando-o adequado para aplicações em geração de energia, em fotodetectores e até em memórias baseadas em luz.

Heterojunções

Heterojunções (junções de diferentes materiais) unidas por forças de van der Waals já são bastante comuns nas células solares e nos fotodetectores. Tipicamente feitas de junções p-n, elas absorvem fótons e criam pares de elétrons-lacunas, que então devem ser separados. O problema é que esses portadores de carga se recombinam rapidamente, apresentando uma vida útil muito curta e, portanto, limitando a eficiência quântica externa do dispositivo.

Jiang resolveu este problema aprisionando as portadoras de cargas positivas (lacunas) e negativas (elétrons) em defeitos nos cristais, antes que elas tenham tempo de se recombinar. Para isso ele usou uma heterojunção feita de seleneto de tungstênio (WSe₂) e óxido de titânio estrôncio, ou STO, como é comumente conhecido.

Em condições de laboratório, a célula-bateria guardou suas cargas por até sete dias. A equipe conseguiu extrair até 2,9 mA quando a célula-bateria era ligada a um circuito.

Fotocondutividade recarregável

A equipe chamou o efeito de "fotocondutividade recarregável", e afirma que ele é muito diferente de tudo o que já havia sido relatado na literatura envolvendo fenômenos fotoelétricos: O efeito parece surgir devido a um tratamento especial que produziu um "gás de elétrons" quase bidimensional na superfície do STO, no qual os elétrons podem se mover livre e independentemente.

Na ilustração acima, esse gás de elétrons quase bidimensional aparece identificado como Q2DEG, abreviação do termo em inglês quasi-2D electron gas.

Quanto ao armazenamento, as cargas elétricas ficam em uma região conhecida como "espaço-carga" do seleneto de tungstênio. As cargas positivas induzidas pela luz podem se acumular e ser retidas até que uma tensão suficientemente elevada, aplicada externamente, as atraia para um circuito. Durante este processo, os pares elétron-lacuna se recombinam e o dispositivo retorna ao estado isolante. Ele pode então ser recarregado, bastando colocá-lo sob a luz.

O próximo passo é tentar reproduzir o efeito em temperaturas mais próximas da temperatura ambiente - por enquanto, tudo acontece em temperaturas criogênicas.

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