Físicos da Universidade de Paderborn usaram simulações computacionais complexas para desenvolver um novo design para células solares significativamente mais eficientes do que as disponíveis anteriormente. Uma fina camada de material orgânico, conhecida como tetraceno, é responsável pelo aumento da eficiência. Os resultados foram agora publicados em Physical Review Letters.



"A energia anual da radiação solar na Terra equivale a mais de um trilhão de quilowatts-hora e, portanto, excede a demanda global de energia em mais de 5.000 vezes. A energia fotovoltaica, ou seja, a geração de eletricidade a partir da luz solar, oferece, portanto, um grande e ainda largamente inexplorado potencial para o fornecimento de energia limpa e renovável. As células solares de silício utilizadas para este fim dominam atualmente o mercado, mas têm limites de eficiência", explica o Prof. Wolf Gero Schmidt, físico e reitor da Faculdade de Ciências Naturais da Universidade de Paderborn. Uma razão para isto é que parte da energia da radiação de ondas curtas não é convertida em eletricidade, mas em calor indesejado.

Schmidt explica:"Para aumentar a eficiência, a célula solar de silício pode ser dotada de uma camada orgânica, por exemplo, feita de tetraceno semicondutor. A luz de ondas curtas é absorvida nesta camada e convertida em excitações eletrônicas de alta energia, então -chamados excitons. Esses excitons decaem no tetraceno em duas excitações de baixa energia. Se essas excitações puderem ser transferidas com sucesso para a célula solar de silício, elas podem ser convertidas com eficiência em eletricidade e aumentar o rendimento geral de energia utilizável.

Avanço decisivo para rápida transferência de energia

A transferência de excitação do tetraceno para o silício está sendo investigada pela equipe de Schmidt usando simulações computacionais complexas no Centro Paderborn de Computação Paralela (PC2), o centro de computação de alto desempenho da universidade. Um avanço decisivo foi agora alcançado:num estudo conjunto com o Dr. Uwe Gerstmann, ambos da Universidade de Paderborn, os cientistas demonstraram que defeitos especiais na forma de ligações químicas insaturadas na interface entre o tetraceno o filme e a célula solar aceleram dramaticamente a transferência de excitons.

Schmidt observa:"Tais defeitos ocorrem durante a dessorção do hidrogênio e causam estados de interface eletrônica com energia flutuante. Essas flutuações transportam as excitações eletrônicas do tetraceno para o silício como um elevador."

Esses “defeitos” nas células solares estão, na verdade, associados a perdas de energia. Isso torna os resultados do trio de físicos ainda mais surpreendentes.

"No caso da interface tetraceno de silício, os defeitos são essenciais para a rápida transferência de energia. Os resultados das nossas simulações computacionais são verdadeiramente surpreendentes. Eles também fornecem indicações precisas para o projeto de um novo tipo de célula solar com eficiência significativamente aumentada, ", afirma Schmidt.

Mais informações: Marvin Krenz et al, Transferência de Exciton Assistida por Defeito através da Interface Tetraceno-Si(111):H, Cartas de Revisão Física (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.076201 journals.aps.org/prl/abstract/… ysRevLett.132.076201
Fornecido pela Universidade Paderborn