Os pesquisadores mostraram como modificar wafers de silício comercialmente disponíveis em uma estrutura que absorve com eficiência a energia solar e resiste às altas temperaturas necessárias para as usinas de "energia solar concentrada" que podem funcionar até 24 horas por dia.

A pesquisa avança os esforços globais para projetar sistemas híbridos que combinam células solares fotovoltaicas, que convertem luz visível e ultravioleta em eletricidade, dispositivos termoelétricos que convertem calor em eletricidade, e turbinas a vapor para gerar eletricidade. Os dispositivos termoelétricos e turbinas a vapor seriam acionados pelo calor coletado e armazenado usando espelhos para focar a luz do sol em um "absorvedor solar seletivo e refletor".

Para coletar eficientemente o calor do sol, superfícies especialmente projetadas com base em materiais de baixo custo são necessárias para absorver seletivamente apenas fótons de uma certa faixa do espectro de luz enquanto refletem outros.

"O ponto principal é que, para capturar a luz do sol da forma mais eficiente possível, você precisa fazer duas coisas que competem entre si:uma é absorver o máximo de energia do sol possível, mas em segundo lugar, não irradiar novamente esse poder, "disse Peter Bermel, professor assistente na Escola de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade Purdue. "Se você fizer algo muito quente, ele começa a brilhar em vermelho, e estamos tentando evitar que a reemissão aconteça enquanto ainda absorvemos a luz do sol. "

Ele liderou uma equipe de pesquisa que demonstrou como modificar um wafer de silício para resistir a temperaturas próximas de 535 graus Celsius sem perder estabilidade ou desempenho.

"Neste estudo, usamos wafers de silício prontos para uso como plataforma para projetar, fabricar, e caracterizar uma estrutura capaz de absorver muita luz solar, sem re-irradiar tanto calor, "disse ele." Nós adicionamos uma camada na parte superior e inferior para dar uma maior capacidade de absorver a luz solar, ao mesmo tempo que reflete comprimentos de onda mais longos. "

Os resultados são detalhados em um artigo publicado online em 3 de abril no jornal Cartas de Física Aplicada .

"Este trabalho mostra que a conversão de energia solar térmica altamente eficiente pode ser alcançada com estruturas muito simples e materiais comuns, "disse o estudante Zhiguang Zhou." Este é um passo fundamental para as aplicações reais, e esperamos que inspire mais esforços ao longo desta trilha. "

O dispositivo solar de silício contém uma camada superior de um revestimento anti-reflexo feito de nitreto de silício e uma camada reflexiva posterior feita de prata.

'' Demonstramos o absorvedor solar seletivo experimentalmente, mostrando alta eficiência em altas temperaturas, "disse o estudante Hao Tian." A estrutura é fácil de fabricar e estável em temperaturas elevadas, relevantes para aplicações de energia solar concentrada. ''

Para complicar a pesquisa, as propriedades do material mudam dramaticamente ao passar da temperatura ambiente para cerca de 500 graus Celsius. Estendendo o trabalho anterior de pesquisadores da área, a equipe desenvolveu um modelo detalhado que simula como as propriedades do material mudam com o aumento da temperatura. O modelo ajudou os pesquisadores a projetar a estrutura construída a partir de wafers de silício, e levou à descoberta de que um absorvedor seletivo feito de filmes finos de silício pode apresentar desempenho ainda maior.

Ao mesmo tempo, a flexibilidade de filmes finos oferece vantagens potenciais, uma vez que podem ser aplicados a estruturas curvas, como as "calhas parabólicas" espelhadas usadas para sistemas de energia solar concentrada. Os vales acompanham o sol o dia todo, concentrando a energia do sol em cerca de 50 vezes.

"Não apenas esses filmes finos parecem ter melhor desempenho, mas eles são muito flexíveis, para que você possa revestir qualquer superfície, "Bermel disse.

Idealmente, o sistema híbrido de energia solar pode atingir eficiências de mais de 50 por cento, em comparação com 31 por cento para as células fotovoltaicas sozinhas. Os pesquisadores estimaram que, com a concentração de 50 sóis produzidos com os vales parabólicos, é possível converter 51,5 por cento da luz solar em utilizável, calor de alto grau a 490 graus Celsius.

O artigo do Applied Physics Letters foi escrito por Tian e Zhou; estudante de graduação Tianran Liu; a estudante de graduação Cindy Karina do Instituto Federal de Tecnologia da Suíça; Urcan Guler, associado de pesquisa de pós-doutorado de Purdue; Vladimir Shalaev, o Professor Distinto Bob e Anne Burnett em Engenharia Elétrica e de Computação; e Bermel.

"Esses resultados complementam nosso trabalho anterior no projeto de sistemas solares híbridos e representam um dos principais componentes experimentais de um sistema de energia solar com armazenamento integrado para geração de energia solar 24 horas por dia, "Bermel disse.

Pesquisas futuras incluirão trabalhos para estudar a abordagem baseada em filme fino flexível. O objetivo de longo prazo é incorporar todos os componentes em um sistema de trabalho para geração contínua de eletricidade. Esses sistemas podem encontrar aplicações para geração de energia em grande escala e pequenos sistemas residenciais.