Em um avanço que poderia empurrar barato, a energia solar onipresente mais próxima da realidade, Pesquisadores da Universidade de Michigan descobriram uma maneira de induzir os elétrons a viajar muito mais longe do que se pensava ser possível nos materiais frequentemente usados ​​para células solares orgânicas e outros semicondutores orgânicos.

"Por anos, pessoas trataram a baixa condutividade dos orgânicos como um fato inevitável, e isso mostra que nem sempre é o caso, "disse Stephen Forrest, o distinto professor de engenharia da Peter A. Franken University e o professor de engenharia Paul G. Goebel da U-M, quem liderou a pesquisa.

Ao contrário das células solares inorgânicas amplamente utilizadas hoje, orgânicos podem ser feitos de baixo custo, materiais flexíveis à base de carbono, como plástico. Os fabricantes podem produzir rolos deles em uma variedade de cores e configurações, para ser laminado discretamente em quase qualquer superfície.

Condutividade notoriamente pobre de orgânicos, Contudo, desacelerou a pesquisa. Forrest acredita que esta descoberta pode mudar o jogo. As descobertas são detalhadas em um estudo publicado em 17 de janeiro em Natureza .

A equipe mostrou que uma fina camada de moléculas de fulereno - as curiosas moléculas redondas de carbono também chamadas de Buckyballs - pode permitir que os elétrons viajem até vários centímetros a partir do ponto em que são soltos por um fóton. É um aumento dramático; nas células orgânicas de hoje, os elétrons podem viajar apenas algumas centenas de nanômetros ou menos.

Elétrons, movendo-se de um átomo para outro, compõem a corrente elétrica em uma célula solar ou componente eletrônico. Materiais como silício, usado nas células solares inorgânicas de hoje e outros semicondutores, têm redes atômicas fortemente ligadas que tornam mais fácil para os elétrons viajarem através do material.

Mas os materiais orgânicos têm ligações muito mais frouxas entre as moléculas individuais, que pode prender elétrons. Este tem sido o calcanhar de Aquiles dos orgânicos, mas a nova descoberta mostra que pode ser possível ajustar suas propriedades condutoras para aplicações específicas.

A capacidade de fazer os elétrons se moverem mais livremente em semicondutores orgânicos pode ter implicações de longo alcance. Por exemplo, a superfície das células solares orgânicas de hoje deve ser coberta com um eletrodo condutor que coleta elétrons no ponto em que são inicialmente gerados. Mas elétrons que se movem livremente podem ser coletados longe de seu ponto de origem. Isso pode permitir que os fabricantes reduzam o eletrodo condutor em uma grade invisível, abrindo caminho para células transparentes que poderiam ser usadas em janelas e outras superfícies.

"Esta descoberta essencialmente nos dá um novo botão para girar enquanto projetamos células solares orgânicas e outros dispositivos semicondutores orgânicos, "disse Quinn Burlingame, pesquisador graduado em engenharia elétrica e ciência da computação da U-M e autor do estudo. "A possibilidade de transporte de elétrons de longo alcance abre muitas novas possibilidades na arquitetura de dispositivos."

Burlingame diz que a descoberta inicial do fenômeno foi uma espécie de acidente, pois a equipe estava experimentando a arquitetura de células solares orgânicas na esperança de aumentar a eficiência. Usando uma técnica comum chamada evaporação térmica a vácuo, eles formaram uma camada fina de fulerenos C60 - cada um feito de 60 átomos de carbono - no topo da camada de produção de energia de uma célula orgânica, onde os fótons da luz solar liberam os elétrons de suas moléculas associadas. Além dos fulerenos, eles colocam outra camada para evitar que os elétrons escapem.

Eles descobriram algo que nunca tinham visto antes em um material orgânico, mesmo fora da área de geração de energia da célula. Ao longo de meses de experimentação, eles determinaram que a camada de fulereno formou o que é conhecido como poço de energia - uma área de baixa energia que impede que os elétrons carregados negativamente se recombinem com as cargas positivas deixadas para trás na camada produtora de energia.

"Você pode imaginar um poço de energia como uma espécie de cânion - os elétrons caem nele e não podem voltar para fora, "disse Caleb Cobourn, um pesquisador graduado no Departamento de Física da U-M e um autor do estudo. "Assim, eles continuam a se mover livremente na camada de fulereno, em vez de se recombinarem na camada de produção de energia, como normalmente fariam. É como uma antena enorme que pode coletar uma carga de elétrons de qualquer lugar do dispositivo. "

Forrest adverte que o uso generalizado da descoberta em aplicações como células solares é teórico neste momento. Mas, ele está animado com as implicações maiores da descoberta para a compreensão e exploração das propriedades dos semicondutores orgânicos.

"Acredito que a energia solar onipresente é a chave para alimentar nosso planeta em constante aquecimento e cada vez mais povoado, e isso significa colocar células solares em objetos do dia a dia, como fachadas de edifícios e janelas, "Forrest disse." Uma tecnologia como esta poderia nos ajudar a produzir energia de uma forma barata e quase invisível. "

O estudo é intitulado "Difusão de elétrons em escala centimétrica em heteroestruturas orgânicas fotoativas." A pesquisa foi apoiada pelo Programa SunShot do Departamento de Energia dos EUA e pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea.