Uma equipe internacional de cientistas de materiais da França, A Rússia e o Cazaquistão encontraram várias vezes uma maneira de aumentar a eficiência das células solares orgânicas. O novo estudo, publicado no Journal of Materials Chemistry A , mostrou que estruturas ordenadas baseadas em moléculas orgânicas podem ser usadas para produzir energia solar.

Painéis solares, ou baterias, são uma das formas mais promissoras de geração de energia elétrica. A partir de 2017, a potência combinada dos painéis solares instalados em todo o mundo totalizou 400 gigawatts. A indústria de energia solar está experimentando um rápido crescimento, que depende de baterias mais baratas e eficientes.

Uma maneira de melhorar os sistemas de energia solar é introduzindo novos materiais. Os elementos básicos de um painel solar que converte luz em eletricidade são células fotovoltaicas, ou células solares. Eles são feitos principalmente de polissilício - uma forma de silício policristalino altamente puro. Mas os cientistas estão ocupados procurando materiais alternativos. Polímeros orgânicos com propriedades fotovoltaicas são um dos principais candidatos para substituir o polissilício.

Uma equipe de pesquisadores da França (Universidade de Estrasburgo, Universidade de Lyon, Institut de Sciences des Matériaux de Mulhouse, Síncrotron SOLEIL), Rússia (Instituto de Física e Tecnologia de Moscou, Universidade Estadual de Moscou), e o Cazaquistão (Universidade de Nazarbayev) descreveu uma maneira de aumentar a eficiência das células solares orgânicas incorporando átomos de flúor no polímero. Este processo, conhecido como fluoração, foi mostrado anteriormente para melhorar as propriedades fotovoltaicas do polímero, mas o mecanismo foi mal compreendido. O novo estudo esclarece o efeito da fluoração na eficiência celular.

Experimentando várias modificações de polímero, a equipe aumentou a eficiência da célula de 3,7 para 10,2 por cento. Embora ainda fique aquém da fotovoltaica de silício comercial, o enorme ganho de eficiência sugere que as células baseadas em polímeros são uma tecnologia a ser considerada. Talvez com mais ajustes as células solares orgânicas possam superar suas contrapartes baseadas em polissilício.

O polímero genérico usado no experimento tem uma estrutura molecular bastante complexa. Ele consiste em uma cadeia de unidades repetidas mostradas na parte esquerda da figura 1. Cada uma delas inclui heterociclos de enxofre - anéis feitos de um enxofre e quatro átomos de carbono - e cadeias laterais de hidrocarbonetos com uma estrutura ramificada.

Os pesquisadores produziram uma série de modificações neste polímero para descobrir qual deles tem as melhores propriedades fotovoltaicas. Eles mudaram a estrutura adicionando átomos de flúor (figura 1, direita) e variando o comprimento das cadeias laterais. Uma configuração de polímero provou resultar em propriedades muito superiores. Nomeadamente, a eficiência da célula e a saída de corrente foram várias vezes maiores.

A equipe então investigou a estrutura microscópica do composto de melhor desempenho. A análise de raios-X revelou que o empilhamento de polímero está mais ordenado. Também, as moléculas foram caracterizadas por maior mobilidade do portador de carga, o que significa que o material conduz melhor a eletricidade. Para uma célula solar, isso é claramente uma vantagem.

Co-autor do estudo Professor Dimitri Ivanov destacou as vantagens tecnológicas das células solares orgânicas. Ele disse que eles podem ser fabricados em menos etapas, em comparação com os fotovoltaicos de silício convencionais. Os polímeros de absorção de luz também podem funcionar como um filme fino, o que significa que os painéis solares não precisam ser planos.

"Por exemplo, você pode depositar baterias solares orgânicas nas telhas, "acrescenta Ivanov, que chefia o Laboratório de Materiais Híbridos e Orgânicos Funcionais do MIPT e é diretor de pesquisa do Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica.

De acordo com Ivanov, o que tornou o estudo desafiador foi a "necessidade de otimizar a eficiência da célula solar escolhendo os níveis corretos de energia molecular do doador e do aceitador, enquanto também cria a estrutura supramolecular apropriada que facilitaria o transporte de carga para os eletrodos. "