p Como a tecnologia de energia de mais rápido crescimento no mundo, a energia solar continua a ser responsável por cada vez mais do fornecimento de energia do mundo. Atualmente, a maior parte da energia fotovoltaica comercial vem de materiais semicondutores a granel. Mas nos últimos anos, os cientistas têm investigado como as nanoestruturas semicondutoras podem aumentar a eficiência das células solares e do novo campo dos combustíveis solares. p Embora tenha havido alguma controvérsia sobre o quanto a nanociência pode melhorar as células solares, uma visão geral recente desta pesquisa de Arthur Nozik, pesquisador do Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) e professor da Universidade do Colorado, mostra que nanoestruturas semicondutoras têm potencial significativo para converter energia solar em eletricidade.

p Em sua visão geral, que é publicado em uma edição recente da Nano Letras , Nozik resumiu o estado atual de várias abordagens para melhorar a energia fotovoltaica com nanociência. Como ele explica, as vantagens das nanoestruturas semicondutoras surgem do confinamento quântico de elétrons negativos e buracos positivos em regiões muito pequenas do espaço nos nanocristais. O confinamento quântico pode ocorrer em um, duas ou três dimensões; em três dimensões, os semicondutores são chamados de pontos quânticos. Em qualquer regime, o confinamento quântico produz efeitos de quantização, resultando em propriedades óticas e eletrônicas únicas.

p “Existem duas vantagens teóricas principais na incorporação de pontos quânticos em células solares e fotovoltaicas:maior eficiência e menor custo, ”Nozik disse PhysOrg.com. “Há uma possibilidade teórica baseada em cálculos termodinâmicos de aumentar a eficiência das células solares atuais em uma quantidade muito significativa de 50-100%. Além disso, os pontos quânticos podem reduzir o custo de capital da produção de células solares em termos de custo por unidade de área. A combinação de menor custo por unidade de área e maior eficiência de conversão reduziria o custo da energia fotovoltaica expresso como custo por watt de pico. As células de silício atuais são caras (cerca de três vezes o custo da eletricidade convencional), mas os pontos quânticos são baseados em métodos químicos de solução de baixa temperatura mais baratos, além disso, eles poderiam produzir eficiências de conversão mais altas. Contudo, ainda há muito trabalho a ser feito antes que os pontos quânticos estejam disponíveis comercialmente. ”

p O princípio básico das células solares fotovoltaicas é absorver fótons da radiação solar incidente com energias acima da lacuna de banda do semicondutor, e usar os fótons para criar elétrons livres e lacunas (chamados de portadores de carga). Para aumentar a eficiência do sistema, é importante formar o maior número possível de portadores de carga a partir dos fótons absorvidos. É aqui que os efeitos de confinamento quântico se tornam muito úteis, como os efeitos acoplam elétrons fotogerados e buracos em pares de elétron-buraco chamados excitons, e encorajar a formação eficiente de mais de um exciton a partir de um único fóton absorvido. Em pontos quânticos. o processo é denominado geração múltipla de excitons (MEG). Entre suas vantagens, MEG é mais eficiente e pode ocorrer com fótons de baixa energia na região visível do espectro solar em comparação com um processo de multiplicação de portadores de carga em semicondutores em massa (um processo chamado ionização de impacto, que geralmente é restrito à região ultravioleta onde os fótons solares estão ausentes ou escassos).

p Para gerar vários excitons, o processo MEG deve competir com o rápido resfriamento dos excitons de alta energia fotogerados iniciais (chamados de “excitons quentes”). Os excitons quentes são criados pela absorção de fótons azuis energéticos ou quase ultravioletas. Em semicondutores a granel em temperatura ambiente e acima, os elétrons e lacunas fotogerados são desacoplados e existem como portadores de carga livre (chamados de “portadores quentes”). O excesso de energia de excitons quentes ou portadores quentes pode perder rapidamente seu excesso de energia cinética por meio de interações elétron-fônon e convertê-lo em calor, o que representa uma perda significativa de eficiência de conversão. Contudo, Nozik observa que, apesar de alguma controvérsia, estudos recentes mostraram que a taxa de MEG pode ser muito mais rápida do que a taxa de resfriamento de excitons quentes, resultando em uma maior eficiência geral da multiplicação do par elétron-buraco. Mas, apesar dos primeiros relatórios de rendimentos quânticos de 200% em células solares fotoeletroquímicas de pontos quânticos, nenhum dispositivo fotovoltaico baseado em ponto quântico até agora mostrou uma eficiência real de conversão de energia aprimorada devido ao MEG.

p "Geralmente, o objetivo é produzir sistemas que tenham eficiências próximas do limite teórico, ”Nozik disse. “A eficiência teórica é de cerca de 45%, enquanto a eficiência do laboratório das células solares de pontos quânticos atuais é de cerca de 3-5%. Essa é uma grande lacuna; precisamos entender o que limita a eficiência dessas novas abordagens. ”

p Apesar da polêmica sobre o MEG, Nozik conclui que as possibilidades de células solares de pontos quânticos e outras nanoestruturas que usam confinamento quântico parecem promissoras, embora muito mais trabalho ainda precise ser feito. Um problema que pode ajudar o MEG a atingir todo o seu potencial é garantir que os excitons adicionais sejam coletados rapidamente, uma vez que eles decaem em cerca de 20-100 picossegundos após a formação. Mais importante, Nozik enfatiza que os pesquisadores devem se esforçar para alcançar a eficiência teórica máxima das células solares.

p “Há um certo grau de controvérsia sobre essas abordagens de terceira geração porque são novas e não completamente compreendidas, ”Nozik disse. "No passado, alguns resultados não puderam ser reproduzidos em laboratórios diferentes. Mas agora mais e mais pessoas nos últimos anos estão reproduzindo resultados positivos. Los Alamos e NREL estão medindo esses efeitos em um novo Centro de Pesquisa de Fronteira de Energia DOE dos EUA com diferentes técnicas, e obtendo a mesma resposta. Portanto, é um efeito real, um efeito positivo. Contudo, algumas pessoas ainda são céticas e pensam que nunca iremos alcançar esses valores [de eficiência teórica]. Mas não há nenhuma razão fundamental pela qual não possamos alcançar esses valores. Só é preciso mais pesquisa, Mais esforço, e mais compreensão. ” p Copyright 2010 PhysOrg.com.
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