p Pare por um momento e imagine um sistema de rodovias eficiente. Não há necessidade de disputar uma posição, nenhum ponto de estrangulamento fundindo de três pistas em uma, não há muito tempo ocioso em semáforos inoportunos, sem bloqueios de estrada enquanto o motorista à sua frente se prepara para uma curva que ainda está a cinco milhas de distância. Independentemente do número de carros, você saberia a aparência e a sensação de uma navegação suave. p Essa é a vida que os pesquisadores de estado sólido desejam para os elétrons enquanto trabalham para capturar a extraordinária energia do sol e convertê-la em eletricidade.

p Se fosse uma solução fácil - toda aquela captura e conversão - o cientista Brian McCandless poderia estar gastando mais tempo com sua gaita de foles.

p Mas ele e muitos outros pesquisadores enfrentam o desafio de melhorar o tráfego de elétrons nas células solares há décadas. McCandless, do Instituto de Conversão de Energia da Universidade de Delaware, tem se concentrado especialmente na eficiência de conversão e custo de fotovoltaicos de filme fino, que oferecem preços competitivos para geração de energia solar.

p Agora, McCandless e seus colaboradores no National Renewable Energy Lab em Golden, Colorado, fizeram incursões significativas, com a invenção UD patenteada de McCandless que tem um nome parecido com Star Trek - um Sistema de Deposição de Transporte de Vapor - e a verificação em larga escala do NREL de suas habilidades.

p Com isso, eles demonstraram uma nova maneira de ajustar as propriedades de filmes finos que oferece maior eficiência e custo reduzido - abrindo a porta para avanços ainda maiores.

p Suas descobertas, feito com o apoio do Departamento de Energia dos EUA, foram publicados na revista Nature's Relatórios Científicos .

p A tecnologia de filme fino representa uma parcela pequena, mas crescente do mercado solar em comparação com os wafers de silício muito mais comuns, mas os filmes finos têm muitas vantagens sobre essas bolachas. Filmes finos permitem a produção rápida de peças mais flexíveis, painéis solares leves, expandindo as opções de design e aplicação.

p O limite máximo para eficiência de filme fino foi estabelecido em 2016 em 22,1 por cento, o que significa que grande parte da luz solar capturada é convertida diretamente em eletricidade.

p Agora, McCandless disse estar refletindo sobre palavras que não usa levianamente - um "avanço tecnológico" há muito aguardado.

p Mas primeiro, uma breve atualização sobre como capturamos e processamos a energia do sol, que fornece matéria-prima suficiente em uma hora para abastecer nosso planeta por um ano inteiro.

p O método de captura de sol mais comum são os painéis solares que você vê em telhados residenciais ou angulados em direção ao céu em outros ambientes. Células especialmente projetadas nesses painéis - feitas tipicamente de silício - capturam os fótons cheios de energia que derramados abundantemente sobre nós em cada fluxo de luz solar. Num dia de sol, há cerca de 1, 000 watts de luz solar atingindo cada metro quadrado da superfície da Terra.

p Quando esses fótons solares atingem materiais fotovoltaicos, eles são convertidos em elétrons e lacunas. Quando direcionado da maneira certa dentro do material, eles podem produzir voltagem elétrica e um fluxo de eletricidade, resultando em poder.

p Os materiais de filme fino são compostos por milhões de cristais por polegada quadrada, em camadas sobre materiais básicos chamados substratos usando calor e pressão e "crescidas" - ou acumuladas - em pilhas de dispositivos chamadas "células solares". O truque é ajustar as propriedades de cada grão cristalino conforme esse crescimento ocorre.

p A nova ferramenta patenteada da McCandless, o sistema de deposição de transporte de vapor, é usado para fazer esses ajustes finos durante o crescimento do filme, incorporando pequenas quantidades de elementos adicionais aos cristais de película fina em temperaturas que permitem o controle das propriedades de maneiras que melhoram o desempenho da célula solar.

p Quando os átomos incorporados estão ativos, eles produzem o que é conhecido como "doping, "que aumenta a condutividade e aumenta a voltagem que pode ser produzida pela célula. Combinado com outros processos após o crescimento, o fluxo eficiente de elétrons para o eletrodo é acelerado - a maneira como você pode melhorar o fluxo do tráfego nas rodovias abrindo uma nova pista ou adicionando novos pontos de acesso. Encontrar a mistura certa de dopagem e outros processos - que não crie outros problemas ou afete a resistência desses elétrons - é fundamental.

p A pesquisa de McCandless usou um dos materiais de película fina mais proeminentes, telureto de cádmio (CdTe), e testou três cenários e tratamentos de dopagem, usando antimônio (Sb), arsênio (As) e fósforo (P). Cada um levou a conjuntos únicos de propriedades e todos resultaram em níveis de dopagem significativamente mais elevados, com arsênio e antimônio produzindo o mais alto.

p "O telureto de cádmio realmente absorve a luz do sol, muito bem, "McCandless disse." Muitas propriedades o tornam ótimo. Mas estávamos obtendo apenas cerca de 0,8 volts de qualquer célula. Com suas propriedades de alta absorção e gap ideal, devemos ser capazes de gerar 1,1 volts. "

p Existem limitações termodinâmicas ao crescer esses filmes, mas esse problema foi resolvido no novo processo, também.

p "Se você pegar uma rede de telureto de cádmio, pegue um dos telúrios e empurre um desses elementos para dentro, agora está faltando um elétron, "Disse McCandless." Por causa da termodinâmica, ele não quer ficar nessa condição. Mas se você congelar a rede, crescendo e resfriando rápido o suficiente, você obtém aquele elétron extra ausente - o buraco que procuramos - e você tem uma condutividade mais alta. "

p O sistema de rodovias do elétron foi atualizado, em outras palavras.

p Até agora, O alto índice de dopagem de filmes finos de telureto de cádmio iludiu cientistas e engenheiros. Agora, voltagens acima de 1 volt e eficiências de 25 por cento tornam-se possíveis. A próxima parte do quebra-cabeça é aumentar o fluxo de elétrons adaptando outros processos.

p "Demonstramos que podemos fazer o doping de maneira controlada, ", disse ele." Agora queremos diminuir a quantidade incorporada necessária usando menos desses elementos e ainda obter o mesmo benefício. "

p McCandless e IEC desenvolveram a química e NREL descobriu como integrar os filmes em uma célula solar completa com desempenho superior.

p “Eles validaram as medições que fizemos em filmes e replicaram a técnica em seu laboratório, " ele disse.

p A ferramenta única - o sistema de deposição de transporte de vapor - foi desenvolvida com a ajuda de Wayne Buchanan da IEC, Shannon Fields, Greg Hanket, Erten Eser e Bob Birkmire.

p Maior eficiência e tensão terão maravilhosos efeitos em cascata, incluindo a redução da dependência de combustíveis fósseis e a expansão do acesso à energia renovável.

p "Isso mostra aos especialistas na arte que há um caminho a seguir para a voltagem, "Disse McCandless.