Em qualquer célula solar à base de silício convencional, há um limite absoluto na eficiência geral, baseado em parte no fato de que cada fóton de luz só pode soltar um único elétron, mesmo que esse fóton carregue o dobro da energia necessária para isso. Mas agora, pesquisadores demonstraram um método para obter fótons de alta energia atingindo o silício para expulsar dois elétrons em vez de um, abrindo a porta para um novo tipo de célula solar com maior eficiência do que se pensava ser possível.

Embora as células de silício convencionais tenham uma eficiência máxima teórica absoluta de cerca de 29,1 por cento de conversão de energia solar, a nova abordagem, desenvolvido ao longo dos últimos anos por pesquisadores do MIT e de outros lugares, poderia estourar esse limite, potencialmente adicionando vários pontos percentuais a essa produção máxima. Os resultados são descritos hoje na revista. Natureza , em um artigo do estudante graduado Markus Einzinger, professor de química Moungi Bawendi, professor de engenharia elétrica e ciência da computação Marc Baldo, e outros oito no MIT e na Universidade de Princeton.

O conceito básico por trás dessa nova tecnologia é conhecido há décadas, e a primeira demonstração de que o princípio poderia funcionar foi realizada por alguns membros dessa equipe há seis anos. Mas, na verdade, traduzindo o método em um completo, a célula solar de silício operacional levou anos de trabalho árduo, Baldo diz.

Essa demonstração inicial "foi uma boa plataforma de teste" para mostrar que a ideia poderia funcionar, explica Daniel Congreve Ph.D. '15, um ex-aluno agora no Instituto Rowland em Harvard, quem foi o autor principal do relatório anterior e é coautor do novo artigo. Agora, com os novos resultados, "fizemos o que nos propusemos a fazer" nesse projeto, ele diz.

O estudo original demonstrou a produção de dois elétrons de um fóton, mas fez isso em uma célula fotovoltaica orgânica, que é menos eficiente do que uma célula solar de silício. Descobriu-se que a transferência de dois elétrons de uma camada de coleta superior feita de tetraceno para a célula de silício "não era simples, "Baldo diz. Troy Van Voorhis, um professor de química do MIT que fazia parte dessa equipe original, aponta que o conceito foi proposto pela primeira vez na década de 1970, e diz ironicamente que transformar essa ideia em um dispositivo prático "levou apenas 40 anos".

A chave para dividir a energia de um fóton em dois elétrons está em uma classe de materiais que possuem "estados excitados" chamados excitons, Baldo diz:Nestes materiais excitônicos, "esses pacotes de energia se propagam como os elétrons em um circuito, "mas com propriedades bastante diferentes das dos elétrons." Você pode usá-los para alterar a energia - você pode cortá-los pela metade, você pode combiná-los. "Neste caso, eles estavam passando por um processo chamado fissão de exciton singleto, que é como a energia da luz é dividida em duas partes separadas, pacotes de energia em movimento independente. O material primeiro absorve um fóton, formando um exciton que rapidamente sofre fissão em dois estados excitados, cada um com metade da energia do estado original.

Mas a parte complicada foi acoplar essa energia ao silício, um material que não é excitônico. Esse acoplamento nunca havia sido realizado antes.

Como uma etapa intermediária, a equipe tentou acoplar a energia da camada excitônica em um material chamado pontos quânticos. "Eles ainda estão excitônicos, mas eles são inorgânicos, "Baldo diz." Isso funcionou; Funcionou como um encanto, "diz ele. Ao compreender o mecanismo que ocorre naquele material, ele diz, "não tínhamos razão para pensar que o silício não funcionaria."

O que aquele trabalho mostrou, Van Voorhis diz, é que a chave para essas transferências de energia está na própria superfície do material, não em seu volume. "Portanto, estava claro que a química da superfície do silício seria importante. Isso era o que determinaria os tipos de estados de superfície existentes." Esse foco na química da superfície pode ter sido o que permitiu a esta equipe ter sucesso onde outras não tiveram, ele sugere.

A chave estava em uma fina camada intermediária. "Acontece que este minúsculo, minúscula faixa de material na interface entre esses dois sistemas [a célula solar de silício e a camada de tetraceno com suas propriedades excitônicas] acabou definindo tudo. É por isso que outros pesquisadores não conseguiram fazer esse processo funcionar, e por que finalmente o fizemos. "Foi Einzinger" quem finalmente quebrou a noz, " ele diz, usando uma camada de um material chamado oxinitreto de háfnio.

A camada tem apenas alguns átomos de espessura, ou apenas 8 angstroms (dez bilionésimos de um metro), mas funcionou como uma "bela ponte" para os estados animados, Baldo diz. Isso finalmente possibilitou que os fótons de alta energia disparassem a liberação de dois elétrons dentro da célula de silício. Isso duplica a quantidade de energia produzida por uma determinada quantidade de luz solar na parte azul e verde do espectro. Geral, que poderia produzir um aumento na energia produzida pela célula solar - de um máximo teórico de 29,1 por cento, até um máximo de cerca de 35 por cento.

As células de silício reais ainda não estão em seu máximo, e nem é o novo material, então mais desenvolvimento precisa ser feito, mas a etapa crucial de acoplar os dois materiais com eficiência agora foi comprovada. “Ainda precisamos otimizar as células de silício para esse processo, "Baldo diz. Para começar, com o novo sistema, essas células podem ser mais finas do que as versões atuais. Também é necessário trabalhar na estabilização dos materiais para durabilidade. Geral, aplicações comerciais provavelmente ainda estão alguns anos atrás, a equipe diz.

Outras abordagens para melhorar a eficiência das células solares tendem a envolver a adição de outro tipo de célula, como uma camada de perovskita, sobre o silício. Baldo diz que "eles estão construindo uma célula em cima da outra. Fundamentalmente, estamos fazendo uma célula - estamos meio que turbinando a célula de silício. Estamos adicionando mais corrente ao silício, em oposição a fazer duas células. "

Os pesquisadores mediram uma propriedade especial do oxinitreto de háfnio que o ajuda a transferir a energia excitônica. "Sabemos que o oxinitreto de háfnio gera carga adicional na interface, que reduz as perdas por um processo denominado passivação de campo elétrico. Se pudermos estabelecer um melhor controle sobre esse fenômeno, as eficiências podem subir ainda mais ", diz Einzinger. Até agora, nenhum outro material testado pode corresponder às suas propriedades.