Os pesquisadores descobriram por que novos tipos de materiais solares são tão bons em captar luz - e forneceram regras de design para torná-los melhores.

Isso abre a oportunidade de projetar células solares flexíveis, que pode ser usado em edifícios e roupas.

Os painéis solares tradicionais são feitos de disco rígido, materiais à base de silício que são eficientes, mas relativamente caros e não muito adaptáveis. Em vez disso, as novas células solares "orgânicas" são muito mais flexíveis - tanto em termos de como podem ser adaptadas ajustando a química, e como eles podem ser fisicamente dobrados.

Materiais solares orgânicos também podem ser produzidos como tintas, o que significa que os dispositivos baseados nestes materiais podem ser produzidos em massa a baixo custo por pulverização ou impressão.

Contudo, as células solares orgânicas atualmente não são tão eficientes em transformar a energia da luz em eletricidade como as células solares de silício comuns. Os cientistas recentemente fizeram progressos com novos tipos de materiais orgânicos, mas eles não sabiam exatamente como os novos materiais são capazes de atingir esses níveis de eficiência, impedindo-os de torná-los ainda melhores.

Agora, em uma nova pesquisa publicada esta semana em Materiais da Natureza , pesquisadores de uma grande equipe internacional, incluindo Imperial College London, determinaram como os novos materiais funcionam, e como eles podem ser melhorados ainda mais.

Eficiência desconhecida
Dr. Artem Bakulin, do Departamento de Química do Imperial, disse:"A natureza leve e flexível das células solares orgânicas significa que podem ser moldadas em qualquer forma que quisermos. Há um grande potencial para as células solares orgânicas serem integradas em edifícios e veículos, ou mesmo ser incorporado aos tecidos que vestimos. Barato, painéis solares leves também podem ser facilmente transportados e instalados em partes do mundo sem energia. "

Os pesquisadores sabiam que em materiais orgânicos havia grandes perdas de energia, o que significa que não eram eficientes na conversão de energia solar em eletricidade.

Isso ocorre porque parte da energia proveniente de partículas de luz (fótons) tem que ser usada para 'separação de carga' - para ajudar as cargas elétricas (os chamados 'elétrons' e 'buracos') criadas pelos fótons a se afastarem, para que mais tarde possam gerar corrente elétrica.

Na grande maioria das células solares orgânicas desenvolvidas nos últimos 30 anos, pelo menos 30 por cento da energia transportada pelos fótons é perdida na separação de carga. Nos últimos anos, no entanto, uma nova classe de materiais orgânicos foi introduzida, comumente conhecido como 'aceitadores não-fulerenos' (NFAs).

Os NFAs ajudaram a reduzir as perdas por separação de carga quase pela metade e trouxeram a eficiência das células solares orgânicas para cerca de 14 por cento. Isso é notável, dado que o limite teórico de eficiência é de cerca de 30 por cento, e as células de silício mais comuns podem atingir 25% em ambientes de laboratório.

Novas regras para novos materiais
Em colaboração com seis outros grupos em todo o mundo, Os pesquisadores imperiais desenvolveram e estudaram um grande conjunto de células solares baseadas em NFA eficientes e descobriram uma possível razão por trás de seu desempenho bem-sucedido.

Usando técnicas avançadas de laser ultrarrápido, eles observaram que, nesses dispositivos, os elétrons e buracos que estão ligados e incapazes de gerar corrente não são perdidos, mas podem converter de volta ao estado inicial excitado com uma energia correspondente ao fóton que os criou. Desta maneira, as perdas de energia são reduzidas e a eficiência do dispositivo pode atingir os valores recordes.

Com seu novo entendimento, a equipe também formulou o conjunto principal de regras que podem levar a células solares orgânicas ainda mais eficientes no futuro.

Os pesquisadores dos sete institutos de pesquisa nos EUA, A China e a Europa produziram juntas cerca de uma dúzia de materiais diferentes, alguns dos quais foram relatados anteriormente e outros que são completamente novos. Eles os usaram para demonstrar que as regras propostas concordam com os resultados experimentais, apesar de algumas das regras derrubarem ideias anteriores.

Tom Hopper, do Departamento de Química do Imperial, disse:"Até agora, o desenvolvimento de materiais de células solares orgânicas foi feito principalmente por uma abordagem de tentativa e erro sintética. Esperamos que as regras de design que estabelecemos sejam úteis para cientistas interessados ​​no desenvolvimento de células solares orgânicas eficientes . "