Uma equipe internacional de cientistas demonstrou um avanço no design e na função de nanopartículas que podem tornar os painéis solares mais eficientes, convertendo a luz geralmente perdida pelas células solares em energia utilizável.

O time, liderado por cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab), demonstraram como o revestimento de partículas minúsculas com corantes orgânicos aumenta muito sua capacidade de capturar luz infravermelha próxima e reemitir a luz no espectro de luz visível, que também pode ser útil para imagens biológicas.

Uma vez que eles entenderam o mecanismo que permite que os corantes nas nanopartículas funcionem como antenas para reunir uma ampla gama de luz, eles reprojetaram com sucesso as nanopartículas para amplificar ainda mais as propriedades de conversão de luz das partículas. O estudo foi publicado online em 23 de abril em Nature Photonics .

"Esses corantes orgânicos capturam amplas faixas de luz infravermelha próxima, "disse Bruce Cohen, um cientista da Fundição Molecular do Berkeley Lab que ajudou a conduzir o estudo junto com os cientistas da Fundição Molecular P. James Schuck (agora na Universidade de Columbia), e Emory Chan. A Molecular Foundry é um centro de pesquisa em nanociências.

"Uma vez que os comprimentos de onda do infravermelho próximo muitas vezes não são usados ​​em tecnologias solares que se concentram na luz visível, "Cohen acrescentou, "e essas nanopartículas sensibilizadas com corante convertem com eficiência a luz infravermelha próxima em luz visível, eles aumentam a possibilidade de capturar uma boa parte do espectro solar que de outra forma iria para o lixo, e integrá-lo às tecnologias solares existentes. "

Os pesquisadores descobriram que o próprio corante amplifica o brilho da luz reemitida cerca de 33, 000 vezes, e sua interação com as nanopartículas aumenta sua eficiência na conversão de luz em cerca de 100 vezes.

Cohen, Schuck, e Chan trabalhou por cerca de uma década para projetar, fabricar, e estudar as nanopartículas de conversão ascendente (UCNPs) utilizadas neste estudo. UCNPs absorvem luz infravermelha e a convertem de forma eficiente em luz visível, uma propriedade incomum devido às combinações de íons de metal lantanídeo nos nanocristais. Um estudo de 2012 sugeriu que os corantes na superfície dos UCNPs aumentam dramaticamente as propriedades de conversão de luz das partículas, mas o mecanismo permaneceu um mistério.

"Houve muita empolgação e, em seguida, muita confusão, "Cohen disse." Isso nos fez coçar a cabeça.

Embora muitos pesquisadores tenham tentado reproduzir o estudo nos anos seguintes, "Poucas pessoas conseguiram fazer o procedimento publicado funcionar, "acrescentou Chan." Os corantes pareciam degradar quase imediatamente após a exposição à luz, e ninguém sabia exatamente como os corantes estavam interagindo com a superfície das nanopartículas. "

A combinação única de experiência e recursos da Molecular Foundry, que incluiu trabalho teórico e uma mistura de experimentos, know-how de química, e técnicas sintéticas bem afiadas, tornou o último estudo possível, ele notou. "É um daqueles projetos que seriam difíceis de fazer em qualquer outro lugar."

Experimentos liderados por David Garfield, um UC Berkeley Ph.D. aluna, e Nicholas Borys, um cientista do projeto Molecular Foundry, mostrou um efeito simbiótico entre o corante e os metais lantanídeos nas nanopartículas.

A proximidade dos corantes aos lantanídeos nas partículas aumenta a presença de um estado de corante conhecido como "tripleto, "que então transfere sua energia para os lantanídeos de forma mais eficiente. O estado tripleto permitiu uma conversão mais eficiente de várias unidades de luz infravermelha, conhecidos como fótons, em fótons únicos de luz visível.

Os estudos mostraram que uma correspondência nas medidas de emissão de luz do corante e absorção de luz pelas partículas confirmou a presença deste estado tripleto, e ajudou a informar os cientistas sobre o que estava acontecendo.

"Os picos (em emissão de corante e absorção de UCNP) corresponderam quase exatamente, "Cohen disse.

Eles então descobriram que, ao aumentar a concentração de metais lantanídeos nas nanopartículas, de 22 por cento a 52 por cento, eles poderiam aumentar esse efeito tripleto para melhorar as propriedades de conversão de luz das nanopartículas.

"Os metais estão promovendo corantes para seus estados trigêmeos, o que ajuda a explicar a eficiência da transferência de energia e a instabilidade dos corantes, uma vez que trigêmeos tendem a se degradar no ar, "Cohen disse.

As nanopartículas, que medem cerca de 12 nanômetros, ou bilionésimos de metros, entre, poderia ser potencialmente aplicado à superfície das células solares para ajudá-las a capturar mais luz para converter em eletricidade, Disse Schuck.

"Os corantes atuam como concentradores solares em escala molecular, canalizando energia de fótons infravermelhos próximos para as nanopartículas, "Schuck disse. Enquanto isso, as próprias partículas são amplamente transparentes à luz visível, então eles permitiriam que outra luz utilizável passasse, ele notou.

Outro uso potencial é introduzir as nanopartículas nas células para ajudar a marcar os componentes das células para estudos de microscopia óptica. Eles podem ser usados ​​para imagens de tecidos profundos, por exemplo, ou em optogenética - um campo que usa luz para controlar a atividade celular.

Existem alguns obstáculos a serem superados pelos pesquisadores para realizar essas aplicações, Cohen disse, como eles são atualmente instáveis ​​e foram estudados em um ambiente de nitrogênio para evitar a exposição ao ar.

Mais P&D é necessário para avaliar possíveis revestimentos de proteção para as partículas, como diferentes polímeros que servem para encapsular as partículas. "Temos projetos ainda melhores em mente no futuro, " ele disse.