As células solares de silício provaram ser uma tecnologia fotovoltaica de ponta, pois usam matérias-primas abundantes em terra (ou seja, Si) e funcionam com alta eficiência. No entanto, eles são baseados em wafers grossos, rígidos e pesados ​​e, portanto, só podem ser instalados em um número limitado de locais. Uma das maneiras de superar essa desvantagem é usar membranas finas. Isso reduzirá a quantidade de Si em mais de 99% (economizando drasticamente em matéria-prima) e também tornará as células flexíveis e leves. Como tal, essas células podem ser facilmente integradas em edifícios, arquitetura urbana e até mesmo pequenos gadgets do dia a dia. O problema é que essas membranas finas de Si não podem absorver a luz com a mesma eficiência. Na verdade, apenas 25% da luz solar é absorvida e você pode até ver através deles.
Usando uma nova textura de nanoestrutura racionalmente projetada, pesquisadores da AMOLF, Surrey University e Imperial College descobriram uma maneira de tornar as células fotovoltaicas finas opacas e, assim, aumentar sua eficiência. No laboratório, eles descobriram que essas membranas finas texturizadas absorvem 65% da luz solar, o que está muito próximo do limite teórico final de absorção de ~ 70%. Esta é a maior absorção de luz já demonstrada em uma membrana tão fina de Si e, portanto, é provável que células fotovoltaicas de Si flexíveis, leves e eficientes sejam desenvolvidas em um futuro próximo.

Como funciona?

A nanoestrutura padronizada criteriosamente redireciona a luz solar direta em uma variedade de ângulos, prendendo assim a luz dentro da membrana de Si. Com a luz sendo aprisionada, ela tem mais chances de ser absorvida e a espessura da membrana aumenta efetivamente para a luz.

Ao saber quais ângulos de luz irão prender os fótons dentro da membrana de Si, os pesquisadores são capazes de projetar seu nanopadrão com base em um estado da matéria que é frequentemente encontrado na natureza, desde a ordem do universo até a distribuição de fotorreceptores nos olhos das aves . Embora distribuições e padrões hiperuniformes pareçam completamente aleatórios, há alguma ordem. Como tal, os designs hiperuniformes combinam o melhor dos dois mundos:

• A ordem permite guiar criteriosamente a luz em ângulos muito específicos que são presos na membrana com base na periodicidade do padrão.
• A desordem permite aumentar a amplitude dos ângulos que podem ser alcançados com um único padrão, resultando em maior absorção.

Os pesquisadores demonstraram que não existe uma solução única, mas sim uma família inteira de designs de padrões hiperuniformes que oferecem alta flexibilidade de design sem comprometer o desempenho óptico. Isso é muito importante do ponto de vista da implementação, pois nem todos os projetos de nanopadrões podem ser facilmente fabricados de maneira escalável.

Desafios

Dois desafios principais na captura da luz solar em Si fino são a ampla gama de cores no espectro solar, juntamente com as dimensões limitadas da membrana. Do ponto de vista fotônico, otimizar a orientação da luz e a captura de uma única cor é relativamente simples e pode ser feito de forma eficiente usando estruturas periódicas. A luz solar, no entanto, tem muitas cores, cada uma das quais experimenta um poder de absorção diferente no Si.

As células solares espessas de Si resolveram esse problema tornando a superfície áspera com características piramidais de dimensões semelhantes às dos comprimentos de onda da luz (ou seja, até 1 µm para luz vermelha, que é inferior a 1% da espessura total de Si). No entanto, a mesma abordagem não funcionará em membranas finas com uma espessura da ordem do comprimento de onda da luz. A equipe de pesquisa contornou isso capturando a ampla gama de cores, incluindo as vermelhas, padronizando apenas uma fração da superfície da célula. Esse padrão não é aplicável apenas ao Si fino, como demonstrado aqui, mas também a qualquer outro filme fino absorvedor de luz que precise de ajuda extra para absorver a luz.

Aplicativo

A líder do grupo AMOLF, Esther Alarcon Llado, diz que "com base no forte desempenho de captura de luz de nossos padrões, estimamos que eficiências fotovoltaicas acima de 20% poderiam ser alcançadas para uma célula c-Si de 1 μm de espessura, o que representaria um avanço absoluto em direção à flexibilidade , c-Si PV leve. Além disso, os absorvedores de Si mais finos são mais tolerantes a defeitos eletrônicos em comparação com os espessos. Isso significa que as células de Si finas com alta eficiência também podem ser feitas de silício de grau inferior, reduzindo assim as necessidades de energia para Si bruto purificação e reduzindo o tempo de retorno de energia."

"O PV fino com padrão hiperuniforme é uma tecnologia altamente promissora. Embora ainda haja muito trabalho a ser feito para tornar essas células finas de alta eficiência parte de nosso ambiente de vida, este trabalho nos deixa muito otimistas de que isso acontecerá em breve". + Explorar mais

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