Pesquisadores da Universidade de Minnesota e da Universidade de Milano-Bicocca estão trazendo o sonho de janelas que podem coletar energia solar com eficiência um passo mais perto da realidade, graças às nanopartículas de silício de alta tecnologia.

Os pesquisadores desenvolveram tecnologia para incorporar as nanopartículas de silício no que eles chamam de concentradores solares luminescentes eficientes (LSCs). Esses LSCs são o elemento-chave das janelas que podem coletar com eficiência a energia solar. Quando a luz brilha na superfície, as freqüências úteis de luz são aprisionadas dentro e concentradas nas bordas, onde pequenas células solares podem ser colocadas para capturar a energia.

A pesquisa foi publicada hoje em Nature Photonics .

Janelas que podem coletar energia solar, chamadas de janelas fotovoltaicas, são a próxima fronteira em tecnologias de energia renovável, pois têm o potencial de aumentar em grande parte a superfície de edifícios adequados para geração de energia sem afetar sua estética - um aspecto crucial, especialmente nas áreas metropolitanas. As janelas fotovoltaicas baseadas em LSC não exigem que nenhuma estrutura volumosa seja aplicada em sua superfície e, uma vez que as células fotovoltaicas estão escondidas na moldura da janela, eles se misturam de forma invisível ao ambiente construído.

A ideia de concentradores solares e células solares integrados ao design de edifícios existe há décadas, mas este estudo incluiu uma diferença fundamental - nanopartículas de silício. Até recentemente, os melhores resultados foram alcançados usando nanoestruturas relativamente complexas baseadas em elementos potencialmente tóxicos, como cádmio ou chumbo, ou em substâncias raras como índio, que já é amplamente utilizado para outras tecnologias. O silício é abundante no meio ambiente e não é tóxico. Ele também funciona com mais eficiência, absorvendo luz em comprimentos de onda diferentes do que emite. Contudo, silício em sua forma convencional, não emite luz ou luminescência.

"Em nosso laboratório, nós 'enganamos' a natureza esquivando a dimensão dos cristais de silício para alguns nanômetros, isso é cerca de dez milésimos do diâmetro do cabelo humano, "disse o professor de engenharia mecânica da Universidade de Minnesota, Uwe Kortshagen, inventor do processo de criação de nanopartículas de silício e um dos autores seniores do estudo. "Com este tamanho, as propriedades do silício mudam e ele se torna um emissor de luz eficiente, com a propriedade importante de não reabsorver sua própria luminescência. Esta é a principal característica que torna as nanopartículas de silício ideais para aplicações LSC. "

O uso de nanopartículas de silício abriu muitas novas possibilidades para a equipe de pesquisa.

"Nos últimos anos, a tecnologia LSC experimentou rápida aceleração, graças também aos estudos pioneiros realizados na Itália, mas encontrar materiais adequados para colher e concentrar a luz solar ainda era um desafio aberto, "disse Sergio Brovelli, professor de física da Universidade de Milano-Bicocca, co-autor do estudo, e co-fundador da empresa spin-off Glass to Power que está industrializando LSCs para janelas fotovoltaicas "Agora, é possível substituir esses elementos por nanopartículas de silício. "

Os pesquisadores dizem que as características ópticas das nanopartículas de silício e sua compatibilidade quase perfeita com o processo industrial de produção dos LSCs de polímero criam um caminho claro para a criação de janelas fotovoltaicas eficientes que podem capturar mais de 5% da energia solar a custos baixos sem precedentes.

"Isso tornará as janelas fotovoltaicas baseadas em LSC uma tecnologia real para o mercado fotovoltaico integrado a edifícios, sem as limitações potenciais de outras classes de nanopartículas baseadas em materiais relativamente raros, "disse Francesco Meinardi, professor de física da Universidade de Milano-Bicocca e um dos primeiros autores do artigo.

As nanopartículas de silício são produzidas em um processo de alta tecnologia usando um reator de plasma e transformadas em pó.

"Cada partícula é composta por menos de dois mil átomos de silício, "disse Samantha Ehrenberg, um Ph.D. em mecânica da Universidade de Minnesota. aluno e outro primeiro autor do estudo. "O pó é transformado em uma solução semelhante a tinta e, em seguida, incorporado em um polímero, formando uma folha de material plástico flexível ou revestindo uma superfície com uma película fina. "

A Universidade de Minnesota inventou o processo de criação de nanopartículas de silício há cerca de 12 anos e detém várias patentes dessa tecnologia. Em 2015, Kortshagen conheceu Brovelli, que é um especialista em fabricação de LSC e já havia demonstrado várias abordagens bem-sucedidas para LSCs eficientes com base em outros sistemas de nanopartículas. O potencial das nanopartículas de silício para essa tecnologia ficou imediatamente claro e a parceria nasceu. A Universidade de Minnesota produziu as partículas e pesquisadores na Itália fabricaram os LSCs incorporando-os em polímeros por meio de um método de base industrial. e funcionou.

"Esta foi realmente uma parceria em que reunimos os melhores pesquisadores em suas áreas para tornar uma ideia antiga realmente bem-sucedida, "Kortshagen disse." Tínhamos experiência na fabricação de nanopartículas de silício e nossos parceiros em Milão tinham experiência na fabricação de concentradores luminescentes. Quando tudo veio junto, sabíamos que tínhamos algo especial. "