(PhysOrg.com) - As células solares ultrafinas podem absorver a luz do sol com mais eficiência do que as mais espessas, células de silício mais caras de fazer usadas hoje, porque a luz se comporta de maneira diferente em escalas ao redor de um nanômetro, dizem os engenheiros de Stanford. Eles calculam isso configurando adequadamente as espessuras de várias camadas finas de filmes, uma película fina de polímero orgânico poderia absorver até 10 vezes mais energia da luz solar do que se pensava ser possível.

No suave, Branco, mundo de sala limpa com wafers de silício e células solares, Acontece que um pouco de aspereza pode ajudar muito, talvez todo o caminho para tornar a energia solar uma fonte de energia acessível, dizem os engenheiros de Stanford.

A pesquisa mostra que a luz que ricocheteia dentro do filme de polímero de uma célula solar se comporta de maneira diferente quando o filme é ultrafino. Um filme fino em nanoescala e um pouco desbastado pode absorver mais de 10 vezes a energia prevista pela teoria convencional.

A chave para superar o limite teórico está em manter a luz do sol nas garras da célula solar por tempo suficiente para extrair o máximo de energia dela, usando uma técnica chamada "captura de luz". É o mesmo como se você estivesse usando hamsters correndo sobre rodinhas para gerar eletricidade - você gostaria que cada hamster registrasse o máximo de quilômetros possível antes de pular e fugir.

"Quanto mais tempo um fóton de luz fica na célula solar, maior a chance de o fóton ser absorvido, "disse Shanhui Fan, professor associado de engenharia elétrica. A eficiência com a qual um determinado material absorve a luz solar é extremamente importante para determinar a eficiência geral da conversão de energia solar. Fan é o autor sênior de um artigo que descreve o trabalho publicado online esta semana por Proceedings of the National Academy of Sciences .

A captura de luz tem sido usada por várias décadas com células solares de silício e é feita tornando a superfície do silício áspera para fazer com que a luz que entra ricocheteie dentro da célula por um tempo depois de penetrar, em vez de refletir de volta como ocorre em um espelho. Mas ao longo dos anos, não importa o quanto os pesquisadores tenham mexido na técnica, eles não podiam aumentar a eficiência das células de silício "macroescala" típicas além de uma certa quantidade.

Por fim, os cientistas perceberam que havia um limite físico relacionado à velocidade com que a luz viaja dentro de um determinado material.

Mas a luz tem uma natureza dupla, às vezes se comportando como uma partícula sólida (um fóton) e outras vezes como uma onda de energia, e Fan e o pesquisador de pós-doutorado Zongfu Yu decidiram explorar se o limite convencional de captura de luz se mantinha verdadeiro em um cenário em nanoescala. Yu é o autor principal do artigo PNAS.

"Todos nós costumávamos pensar na luz como indo em linha reta, "Disse Fan." Por exemplo, um raio de luz atinge um espelho, ele salta e você vê outro raio de luz. Essa é a maneira típica como pensamos sobre a luz no mundo macroscópico.

"Mas se você descer para as nanoescalas nas quais estamos interessados, centenas de milionésimos de milímetro em escala, Acontece que a característica da onda realmente se torna importante. "

A luz visível tem comprimentos de onda em torno de 400 a 700 nanômetros (bilionésimos de metro), mas mesmo em pequena escala, Fan disse, muitas das estruturas que Yu analisou tinham um limite teórico comparável ao limite convencional comprovado por experimento.

“Uma das surpresas deste trabalho foi descobrir o quão robusto é o limite convencional, "Fan disse.

Foi só quando Yu começou a investigar o comportamento da luz dentro de um material de sub-escala de comprimento de onda profunda - substancialmente menor do que o comprimento de onda da luz - que se tornou evidente para ele que a luz poderia ser confinada por mais tempo, aumentando a absorção de energia além do limite convencional na macroescala.

"A quantidade de benefício do confinamento em nanoescala que mostramos aqui é realmente surpreendente, ", disse Yu." Superar o limite convencional abre uma nova porta para o projeto de células solares altamente eficientes. "

Yu determinou por meio de simulações numéricas que a estrutura mais eficaz para capitalizar os benefícios do confinamento em nanoescala era uma combinação de vários tipos diferentes de camadas em torno de um filme fino orgânico.

Ele imprensou a fina película orgânica entre duas camadas de material - chamadas de camadas de "revestimento" - que agiam como camadas confinantes, uma vez que a luz passava pela camada superior para a película fina. No topo da camada de revestimento superior, ele colocou uma camada de superfície rugosa padronizada projetada para enviar a luz que entrava em diferentes direções à medida que entrava no filme fino.

Ao variar os parâmetros das diferentes camadas, ele conseguiu um aumento de 12 vezes na absorção de luz dentro do filme fino, em comparação com o limite da macroescala.

As células solares em nanoescala oferecem economia nos custos de material, como as películas finas de polímero orgânico e outros materiais usados ​​são menos caros do que o silício e, sendo em nanoescala, as quantidades necessárias para as células são muito menores.

Os materiais orgânicos também têm a vantagem de serem fabricados em reações químicas em solução, em vez de precisar de processamento de alta temperatura ou vácuo, como é necessário para a fabricação de silício.

"A maior parte da pesquisa hoje em dia está examinando muitos tipos diferentes de materiais para células solares, "Disse Fan." Onde isso terá um impacto maior é em algumas das tecnologias emergentes; por exemplo, em células orgânicas. "

"Se você fizer direito, há um enorme potencial associado a ele, "Fan disse.

Aaswath Raman, um estudante de graduação em física aplicada, também trabalhou na pesquisa e é co-autor do artigo.