Os pesquisadores quantificaram as velocidades surpreendentemente altas nas quais as células solares futuras teriam de operar para esticar o que atualmente é visto como limites naturais em sua eficiência de conversão de energia.

O estudo, que investigou dispositivos fotovoltaicos baseados em um tipo de materiais chamados perovskitas, sugere que isso poderia atingir níveis sem precedentes de supereficiência. Mas para fazer isso, eles precisarão transformar a luz do sol em elétrons e, em seguida, extraí-los como carga elétrica em apenas quatrilionésimos de segundo - alguns "femtossegundos", para dar-lhes seu nome científico.

Mover elétrons nesta taxa ultrarrápida permitiria a criação de células "portadoras quentes". Estas são células solares que podem gerar eletricidade de forma mais eficiente, fazendo uso da energia cinética adicionada que os elétrons têm por um breve momento, logo após serem criados, enquanto eles estão se movendo em alta velocidade.

A quantidade de energia elétrica que pode ser extraída de uma célula transportadora quente, em relação à quantidade de luz absorvida, poderia potencialmente igualar ou mesmo quebrar uma taxa de eficiência energética de 30%. Em termos gerais, esta é a eficiência energética máxima que as células solares podem alcançar - embora as células de silício padrão normalmente tenham eficiências próximas de 20% na prática.

Apesar das minúsculas frações de tempo envolvidas, os autores do novo artigo afirmam que é possível que os perovskitas possam, em última instância, empurrar essa barreira de eficiência.

O estudo, publicado no jornal Nature Communications , foi realizado por acadêmicos na Itália e no Reino Unido. A equipe britânica envolveu pesquisadores do grupo de pesquisa optoeletrônica do Laboratório Cavendish do professor Sir Richard Friend, um membro do St John's College, Cambridge. A equipe italiana está baseada no Politecnico di Milano no grupo do Professor Guilio Cerullo.

Johannes Richter, um estudante de doutorado no grupo Optoeletrônica e o autor principal do artigo, disse:"A escala de tempo que calculamos é agora o limite de tempo que temos para operar se quisermos criar supereficientes, dispositivos solares quentes. Precisaríamos retirar os elétrons antes que essa pequena quantidade de tempo decorresse. "

"Estamos falando sobre fazer isso de forma extremamente rápida, mas não é impossível que isso aconteça. As células de perovskita são muito finas e isso nos dá esperança, porque a distância que os elétrons têm que percorrer é, portanto, muito curta. "

As perovskitas são uma classe de materiais que podem em pouco tempo substituir o silício como material de escolha para muitos dispositivos fotovoltaicos. Embora as células solares de perovskita tenham sido desenvolvidas apenas nos últimos anos, eles já são quase tão eficientes em termos energéticos quanto o silício.

Em parte porque são consideravelmente mais finos, eles são muito mais baratos de fazer. Embora as células de silício tenham cerca de um milímetro de espessura, equivalentes de perovskita têm uma espessura de aproximadamente um micrômetro, cerca de 100 vezes mais fino que um fio de cabelo humano. Eles também são muito flexíveis, o que significa que, além de ser usado para alimentar edifícios e máquinas, células perovskita podem eventualmente ser incorporadas em coisas como tendas, ou mesmo roupas.

No novo estudo, os pesquisadores queriam saber por quanto tempo os elétrons produzidos por essas células retêm seus níveis mais altos de energia possíveis. Quando a luz do sol atinge a célula, partículas de luz (ou fótons), são convertidos em elétrons. Eles podem ser extraídos por meio de um eletrodo para coletar carga elétrica.

Por um breve momento depois de serem criados, os elétrons estão se movendo muito rapidamente. Contudo, eles então começam a colidir, e perder energia. Elétrons que mantêm sua velocidade, antes da colisão, são conhecidos como "quentes" e sua energia cinética adicionada significa que eles têm o potencial de produzir mais carga.

"Imagine se você tivesse uma mesa de sinuca e cada bola se movesse na mesma velocidade, "Richter explicou." Depois de um certo tempo, eles vão bater uns nos outros, o que faz com que eles diminuam a velocidade e mudem de direção. Queríamos saber quanto tempo temos para extrair os elétrons antes que isso aconteça. "

A equipe de Cambridge aproveitou um método desenvolvido por seus colegas em Milão, chamado espectroscopia bidimensional. Isso envolve o bombeamento de luz de dois lasers para amostras de células de perovskita de iodeto de chumbo para simular a luz solar, e, em seguida, usando uma terceira "sonda" de laser para medir a quantidade de luz que está sendo absorvida.

Uma vez que os elétrons colidiram e desaceleraram, e estão, portanto, começando a ocupar espaço na célula, a quantidade de luz sendo absorvida muda. O tempo que isso levou para acontecer no estudo efetivamente permitiu aos pesquisadores estabelecer quanto tempo há disponível para extrair elétrons enquanto eles ainda estão "quentes".

O estudo descobriu que os eventos de colisão de elétrons começaram a acontecer entre 10 e 100 femtossegundos depois que a luz foi inicialmente absorvida pela célula. Para maximizar a eficiência energética, os elétrons, portanto, precisariam alcançar o eletrodo em apenas 10 quatrilionésimos de segundo.

Os pesquisadores estão otimistas de que isso seja possível. Além de aproveitar a magreza intrínseca da perovskita, eles acreditam que nanoestruturas podem ser criadas dentro das células para reduzir ainda mais a distância que os elétrons precisam viajar.

"Essa abordagem é apenas uma ideia por enquanto, mas é o tipo de coisa que precisaríamos para superar as escalas de tempo muito pequenas que medimos, "Richter acrescentou.

O papel, "Termalização ultrarrápida de portadores em perovskita de iodeto de chumbo sondada com espectroscopia eletrônica bidimensional, "é publicado em Nature Communications .