Toda hora, o sol inunda a Terra com mais energia do que o mundo inteiro consome em um ano. No entanto, a energia solar é responsável por menos de 0,002 por cento de toda a eletricidade gerada nos Estados Unidos, principalmente porque as células fotovoltaicas permanecem caras e relativamente ineficientes.

Mas a energia solar pode não ser uma fonte de energia marginal por muito tempo. Químicos do Laboratório Nacional de Idaho e da Universidade Estadual de Idaho inventaram uma maneira de fabricar altamente preciso, nanopartículas uniformes sob encomenda. A tecnologia, Nanopartículas de precisão, tem o potencial de melhorar enormemente a célula solar e estimular ainda mais a revolução crescente da nanotecnologia.

Uma corrida do ouro científica

Nanopartículas são partículas de matéria dezenas de milhares de vezes menores do que a largura de um fio de cabelo humano. Porque eles são tão pequenos, uma grande porcentagem dos átomos das nanopartículas residem em suas superfícies, e não em seus interiores. Isso significa que as interações de superfície dominam o comportamento das nanopartículas. E, por esta razão, eles geralmente têm características e propriedades diferentes do que pedaços maiores do mesmo material.

Enquanto os cientistas estão apenas começando a explorar as nanopartículas, eles já mostram uma grande promessa em vários campos, da medicina à fabricação e à energia. Por exemplo, incorporar certos tipos de nanopartículas em materiais de construção torna as estruturas mais fortes e mais resistentes à corrosão. E os transistores com nanoengenharia são menores, mais rápido e mais eficiente do que os tradicionais.

"As nanopartículas são a corrida do ouro científica da próxima geração, "diz o químico Bob Fox do INL, que ajudou a desenvolver a tecnologia de nanopartículas de precisão. "Eles vão mudar nossas vidas da mesma forma que os computadores pessoais."

Como as propriedades das nanopartículas são tão dependentes do tamanho, qualquer pequeno ajuste dimensional pode fazer uma grande diferença. Assim, a chave para aproveitar o potencial das nanopartículas está na capacidade de produzi-las em certos tamanhos prescritos, com pequenas margens de erro. Esta capacidade provou ser elusiva, mas é exatamente o que as nanopartículas de precisão oferecem.

Uma nova maneira de fazer nanopartículas

Alguns anos atrás, Os químicos da Fox e da ISU, Joshua Pak e Rene Rodriguez, começaram a procurar uma maneira melhor de fazer componentes semicondutores para células solares. Especificamente, eles queriam melhorar a forma como as matérias-primas são transformadas em nanopartículas semicondutoras. O método estabelecido pela indústria para fazer isso é relativamente impreciso e consome muita energia, exigindo temperaturas em torno de 300 graus Celsius.

A equipe teve a ideia de usar dióxido de carbono "supercrítico" para agilizar a reação. Os fluidos supercríticos são um pouco como uma mistura entre um gás e um líquido. Eles podem se difundir através de sólidos, por exemplo, mas também dissolve substâncias como um líquido. O dióxido de carbono supercrítico tem sido usado há anos para descafeinar o café.

Mas quando Fox, Pak e Rodriguez introduziram dióxido de carbono supercrítico em seu vaso de reação, o único resultado imediatamente perceptível foi uma grossa gosma amarela.

"Achamos que era um experimento fracassado, "Fox diz.

Mas quando os químicos olharam mais de perto, eles descobriram que a gosma estava muito pequena, nanopartículas semicondutoras incrivelmente uniformes. A mesma reação, aproximadamente, que a indústria usa para transformar matérias-primas em nanopartículas semicondutoras tinha acontecido - mas gerou um melhor, produto menos variável.

"Não esperávamos que isso nos desse tanta homogeneidade, "Fox diz." Isso foi realmente empolgante. "E como a nova reação poderia prosseguir a uma temperatura muito mais baixa - 65 graus Celsius em vez de 300 - ela também prometia economizar muito dinheiro e energia.
Depois de mexer na reação, Raposa, Pak e Rodriguez descobriram como controlar o tamanho das nanopartículas com uma precisão sem precedentes. Eles agora podem produzir partículas prescritas entre 1 e 100 nanômetros, acertar o alvo todas as vezes com grande precisão. Em julho, A revista R&D reconheceu a tecnologia de ponta como uma de suas 100 principais inovações de 2009 - um prêmio de prestígio comumente referido como o "Oscar da invenção". E em setembro, o trabalho ganhou o prêmio de Inovação de Estágio Inicial do Ano no Prêmio de Inovação Stoel Rives Idaho.
Raposa, Pak e Rodriguez licenciaram a tecnologia para Nanopartículas de Precisão, Inc. A empresa relativamente nova de Seattle está prestes a iniciar a produção de nanopartículas sob medida para a indústria fotovoltaica.

Uma célula solar melhor

Os objetivos dos químicos INL e ISU - e das Nanopartículas de Precisão, Inc. - são para tornar as células solares mais eficientes e, em última análise, energia solar mais prática.

Em uma célula solar, fótons atingem átomos de um material semicondutor - historicamente, silício - soltando alguns elétrons. Esses elétrons liberados então fluem em uma única direção, geração de eletricidade em corrente contínua. A quantidade de energia necessária para soltar os elétrons é específica para cada material e corresponde a apenas uma pequena porção do espectro de radiação do sol. Esse fato explica por que a eficiência da maioria das células atuais atinge o máximo em cerca de 20%.

Para liberar um elétron do silício, por exemplo, um fóton que chega deve ter uma energia de cerca de 1,3 elétron-volts. Esta energia é conhecida como lacuna de banda do silício, e corresponde a um comprimento de onda de fóton de 950 nanômetros ou mais. Fótons com energias mais baixas - e, portanto, comprimentos de onda mais longos - não farão o trabalho. Fótons de menor comprimento de onda irão, mas sua energia acima de 1,3 elétron-volts é desperdiçada, dissipado como calor. Este é um grande negócio, porque os fótons mais abundantes da luz solar ocorrem entre 500 e 600 nanômetros (que nossos olhos registram como verdes e amarelos) - o que significa que a maioria das fotocélulas atuais desperdiça muita energia.

Os engenheiros têm trabalhado muito para aproveitar mais o espectro solar, para projetar células que colocam fótons de baixa energia para trabalhar e usam fótons de alta energia com mais eficiência. Uma maneira de fazer isso é construir células compostas com camadas de diferentes semicondutores. Colocando uma película de sulfeto de cobre e índio em cima de uma banda de silício, dizer, aumenta o poder de captura de fótons de uma célula. Mas construir esses dispositivos é caro e tecnologicamente complicado.

"As diferentes camadas não funcionam bem juntas, "Fox diz.

É aí que entra a tecnologia de nanopartículas de precisão. Uma das muitas propriedades que mudam com o tamanho de uma nanopartícula é o seu gap. Porque Fox e sua equipe aprenderam como controlar as dimensões das nanopartículas com tanta precisão, em breve poderá ser possível fabricar - a partir de um único material - blocos de construção semicondutores ajustados para comprimentos de onda de luz específicos. Uma célula fotovoltaica feita de tais blocos de construção poderia capturar grandes faixas do espectro de energia solar. E uma vez que as células conteriam apenas um único material semicondutor, eles seriam muito mais baratos, mais eficiente e fácil de construir do que os designs multicamadas atuais.

Nanopartículas semicondutoras de algumas células, Fox acredita, poderia até mesmo ser ajustado para captar comprimentos de onda infravermelhos - calor, que irradia das rochas, edifícios, estradas e estacionamentos noite adentro.

"Portanto, seu painel solar pode estar funcionando muito depois de você ir para a cama, " ele diz.

Além da energia solar

Embora as aplicações mais imediatas das nanopartículas de precisão venham no campo de seu nascimento, fotovoltaica, os usos potenciais não param por aí. Por exemplo, a tecnologia também pode avançar muito na pesquisa de ultracapacitores. Ultracapacitores armazenam energia elétrica de forma rápida e eficaz, e eles podem algum dia substituir baterias em carros elétricos e híbridos plug-in. Pelo menos um material, nitreto de vanádio, tem ultracapacitância muito maior na forma nano - mas apenas se as nanopartículas forem de tamanho estritamente uniforme, Fox diz.

Para florescer completamente, a revolução da nanotecnologia exigirá o controle necessário para produzir tal uniformidade. Tecnologias como a desenvolvida pela Fox, Pak e Rodriguez podem ser capazes de fornecer esse controle, entregando partículas de tamanho previsível com propriedades previsíveis. Como resultado, nanopartículas podem encontrar seu caminho em mais designs, e mais produtos.

"A única coisa que nos limita neste momento é a nossa imaginação, "Fox diz.

Fornecido pelo Idaho National Laboratory, Esta reportagem está disponível aqui. Foi escrito por Mike Wall.