Pesquisadores do Center de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N), em colaboração com pesquisadores do German Fraunhofer ISE, prenderam a luz do sol com eficiência em uma célula solar graças a uma camada absorvente ultrafina feita de GaAs de 205 nm de espessura em um espelho traseiro nanoestruturado. Essa nova arquitetura aumentou a eficiência da célula para quase 20 por cento.

Até agora, células solares de última geração com eficiência de 20 por cento exigiam camadas de material semicondutor com pelo menos um micrômetro de espessura (GaAs, CdTe ou seleneto de cobre, índio e gálio), ou mesmo 40 µm ou mais, no caso do silício. Uma redução significativa da espessura permitiria economia de material de materiais escassos como telério ou índio e melhorias de rendimento industrial devido a tempos de deposição mais curtos. Contudo, O absorvedor de desbaste reduz automaticamente a absorção da luz solar e a eficiência de conversão. Um espelho plano na parte traseira da célula pode levar à absorção de passagem dupla, mas não mais. As tentativas anteriores de captura de luz foram muito limitadas em desempenho pelas perdas óticas e elétricas.

Pesquisadores da equipe liderada por Stéphane Collin e Andrea Cattoni no Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies-C2N (CNRS / University Paris-Saclay), em colaboração com o Fraunhofer ISE, desenvolveram uma nova estratégia para capturar a luz em camadas ultrafinas feitas de arseneto de gálio de apenas 205 nm de espessura, um semicondutor da família III-V. A ideia norteadora era produzir um espelho traseiro nanoestruturado para criar várias ressonâncias sobrepostas na célula solar, identificado como Fabry-Perot e ressonâncias de modo guiado. Eles restringem a luz para permanecer mais tempo no absorvedor, resultando em absorção óptica eficiente apesar da baixa quantidade de material. Graças a inúmeras ressonâncias, a absorção é aprimorada em uma ampla faixa espectral que se ajusta ao espectro solar do visível ao infravermelho. Controlar a fabricação de espelhos padronizados em escala nanométrica foi um aspecto fundamental do projeto. A equipe usou litografia de nanoimpressão, um barato, técnica rápida e escalonável, para gravar um filme derivado de sol-gel de dióxido de titânio.

As células solares ultrafinas podem ser melhoradas? O trabalho publicado em Nature Energy demonstra que essa arquitetura deve permitir eficiência de 25% no curto prazo. Mesmo que os limites ainda sejam desconhecidos, os pesquisadores estão convencidos de que a espessura poderia ser reduzida em pelo menos um fator de dois sem perda de eficiência. As células solares GaAs ainda são comercialmente limitadas a aplicações espaciais devido ao seu custo. Contudo, pesquisadores já estão trabalhando na extensão deste conceito para fotovoltaicos de grande escala feitos de CdTe, CIGS ou materiais de silício.