Cientistas da Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) estão atualmente trabalhando em um projeto de pesquisa conjunto para gerar mais eletricidade a partir de células solares e conduzir pesquisas adicionais sobre a chamada fissão singlete com o Centro de Pesquisa de Energia Solar Argonne-Northwestern (ANSER), A fissão do singlet nos EUA pode aumentar consideravelmente a eficiência das células solares, e graças às pesquisas mais recentes, é um passo mais perto de se tornar possível. Os resultados foram publicados na revista científica Chem .
O consumo global de energia aumentou, e a tendência de alta deve continuar nos próximos anos. Em uma tentativa de atender à demanda e ao mesmo tempo proteger o meio ambiente, eletricidade solar, vento, fontes de água e biomassa estão ganhando importância. Contudo, apenas cerca de 6 por cento da eletricidade bruta produzida na Alemanha em 2017 veio de sistemas fotovoltaicos, e a tecnologia à base de silício atualmente disponível está atingindo rapidamente seus limites em termos de potencial.
As células solares são extremamente ineficientes na conversão de energia solar em eletricidade. Sua eficiência é atualmente de apenas 20 a 25 por cento. Novas abordagens são necessárias para aumentar significativamente o desempenho das células solares e gerar mais eletricidade. A resposta pode ser encontrada em processos físico-químicos que aumentam significativamente a eficiência das células solares. Cientistas da FAU e do ANSER Center têm explorado uma abordagem promissora como parte de seu projeto de pesquisa conjunto. Os pesquisadores investigaram o chamado mecanismo de fissão singlete (SF), em que um fóton excita dois elétrons.
O princípio da fissão singlete foi descoberto há cerca de 50 anos, mas seu potencial para aumentar significativamente a eficiência das células solares orgânicas só foi reconhecido por cientistas nos EUA há cerca de 10 anos. Desde então, pesquisadores em todo o mundo têm trabalhado para obter uma compreensão mais detalhada dos processos fundamentais e mecanismos complexos por trás deles. Juntamente com o Prof. Michael Wasielewski do ANSER Center, os pesquisadores da FAU agora conseguiram esclarecer alguns aspectos extraordinariamente significativos da SF.
Quando um fóton da luz solar encontra e é absorvido por uma molécula, o nível de energia de um dos elétrons na molécula é aumentado. Ao absorver um fóton, uma molécula orgânica é assim convertida em um estado de energia superior. A eletricidade pode então ser gerada dentro das células solares a partir desta energia, que é armazenado temporariamente dentro da molécula. O cenário ideal em células solares convencionais é que cada fóton gere um elétron como portador da eletricidade. Se, Contudo, dímeros de compostos químicos selecionados são usados, dois elétrons de moléculas vizinhas podem ser convertidos em um estado de alta energia. No total, um fóton gera dois elétrons excitados, que, por sua vez, pode ser usado para produzir corrente elétrica - dois são feitos de um. Este processo é conhecido como fissão única, e no cenário ideal, pode aumentar consideravelmente o desempenho das células solares. Químicos e físicos da FAU e do ANSER Center investigaram o mecanismo subjacente com mais detalhes, levando a uma compreensão consideravelmente mais ampla do processo de FS.
Como a primeira etapa da pesquisa, os cientistas produziram um dímero molecular de duas unidades de pentaceno. Este hidrocarboneto é considerado um candidato promissor para o uso de fissão singlete em células solares. Eles então expuseram o líquido à luz e usaram vários métodos espectroscópicos para investigar os processos fotofísicos dentro da molécula.
Isso deu aos pesquisadores três percepções de longo alcance sobre o mecanismo por trás da fissão singlete intramolecular. Em primeiro lugar, eles conseguiram provar que o acoplamento a um estado de transferência de carga mais alto é essencial para um SF altamente eficiente. Em segundo lugar, eles verificaram um modelo de fissão singlete que criaram e publicaram recentemente. Em terceiro lugar (e por último), eles provaram que a eficiência do SF se correlaciona claramente com a intensidade com que as duas subunidades de pentaceno estão acopladas.
Os resultados indicam a importância de planejar cuidadosamente o design de materiais de SF. Este é um marco importante no caminho para o uso de sistemas fotovoltaicos baseados em SF para gerar eletricidade. Mais pesquisas básicas ainda são necessárias, Contudo.
