p Esta célula fotovoltaica é composta por 36 matrizes individuais de nanofios de silício apresentando junções radiais p-n. A dispersão da cor demonstra a excelente periodicidade em todo o substrato. (Foto de Peidong Yang)
p (PhysOrg.com) - Os pesquisadores do Berkeley Lab descobriram uma maneira melhor de capturar luz em células fotovoltaicas por meio do uso de arranjos verticais de nanofios de silício. Isso poderia reduzir substancialmente os custos da energia elétrica solar, reduzindo a quantidade e a qualidade do silício necessárias para painéis solares eficientes. p Projeta-se que as células solares feitas de silício sejam um fator proeminente nas futuras equações de energia verde renovável, mas até agora a promessa excedeu em muito a realidade. Embora já existam sistemas fotovoltaicos de silício que podem converter a luz solar em eletricidade com uma eficiência impressionante de 20%, o custo desta energia solar é proibitivo para uso em grande escala. Pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), Contudo, estão desenvolvendo uma nova abordagem que poderia reduzir substancialmente esses custos. A chave para seu sucesso é uma maneira melhor de capturar a luz solar.
p “Por meio da fabricação de filmes finos a partir de matrizes ordenadas de nanofios de silício verticais, fomos capazes de aumentar a captura de luz em nossas células solares por um fator de 73, ”Diz o químico Peidong Yang, quem liderou esta pesquisa. “Uma vez que a técnica de fabricação por trás deste extraordinário aprimoramento de captura de luz é um processo químico aquoso relativamente simples e escalável, acreditamos que nossa abordagem representa um caminho economicamente viável em direção à alta eficiência, células solares de filme fino de baixo custo. ”
p Yang tem nomeações conjuntas com a Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab, e o Departamento de Química da Universidade da Califórnia em Berkeley. Ele é uma autoridade líder em nanofios semicondutores - tiras unidimensionais de materiais cuja largura mede apenas um milésimo de um cabelo humano, mas cujo comprimento pode estender-se por vários mícrons.
p “As células solares típicas são feitas de pastilhas de silício de cristal único ultrapuro muito caras que requerem cerca de 100 micrômetros de espessura para absorver a maior parte da luz solar, Considerando que nossa geometria radial nos permite capturar luz de forma eficaz com matrizes de nanofios fabricadas a partir de filmes de silício que têm apenas cerca de oito micrômetros de espessura, " ele diz. "Além disso, nossa abordagem deve, em princípio, nos permitir usar silício de grau metalúrgico ou "sujo" em vez dos cristais de silício ultrapuros agora necessários, o que deve reduzir ainda mais os custos ”.
p Yang descreveu essa pesquisa em um artigo publicado na revista
Nano Letras , que ele foi coautor com Erik Garnett, um químico que era então membro do grupo de pesquisa de Yang. O artigo é intitulado “Light Trapping in Silicon Nanowire Solar Cells”.
p Uma junção radial p-n consiste em uma camada de silício tipo n formando uma casca em torno de um núcleo de nanofio de silício tipo p. Essa geometria transforma cada nanofio individual em uma célula fotovoltaica.
p
Gerando eletricidade a partir da luz solar
p No coração de todas as células solares estão duas camadas separadas de material, um com abundância de elétrons que funciona como um pólo negativo, e um com uma abundância de buracos de elétrons (espaços de energia carregados positivamente) que funcionam como um pólo positivo. Quando os fótons do sol são absorvidos, sua energia é usada para criar pares de elétron-buraco, que são então separados na interface entre as duas camadas e coletados como eletricidade.
p Por causa de suas propriedades fotoeletrônicas superiores, o silício continua sendo o semicondutor fotovoltaico preferido, mas a demanda crescente inflou o preço da matéria-prima. Além disso, devido ao alto nível de purificação de cristal necessário, até mesmo a fabricação da célula solar à base de silício mais simples é um complexo, processo que consome muita energia e é caro.
p Yang e seu grupo são capazes de reduzir a quantidade e os requisitos de qualidade para o silício usando matrizes verticais de junções p-n radiais nanoestruturadas em vez de junções p-n planas convencionais. Em uma junção radial p-n, uma camada de silício tipo n forma uma concha em torno de um núcleo de nanofio de silício tipo p. Como resultado, elétrons fotoexcitados e buracos viajam distâncias muito mais curtas para os eletrodos, eliminando o gargalo do portador de carga que geralmente surge em uma célula solar de silício típica. A matriz de geometria radial também, como fotocorrente e medições de transmissão óptica por Yang e Garrett revelaram, melhora muito a captura de luz.
p “Uma vez que cada nanofio individual na matriz tem uma junção p-n, cada um atua como uma célula solar individual, ”Yang diz. “Ajustando o comprimento dos nanofios em nossas matrizes, podemos aumentar o comprimento do caminho de captura de luz. ”
p Embora a eficiência de conversão desses nanofios solares fosse de apenas cinco a seis por cento, Yang diz que essa eficiência foi alcançada com pouco esforço na passivação da superfície, anti-reflexo, e outras modificações para aumentar a eficiência.
p “Com mais melhorias, mais importante na passivação de superfície, achamos que é possível aumentar a eficiência para mais de 10 por cento, ”Yang diz.
p Combinando uma eficiência de conversão de 10 por cento ou melhor com as quantidades muito reduzidas de material de silício inicial e a capacidade de usar silício de grau metalúrgico, deve tornar o uso de nanofios de silício um candidato atraente para o desenvolvimento em larga escala.
p Como um acréscimo, Yang diz:“Nossa técnica pode ser usada em processos de fabricação de painéis solares existentes.”
