(PhysOrg.com) - Os engenheiros de Stanford conseguiram aproveitar a plasmonics - um ramo emergente da ciência e da tecnologia - para capturar a luz com mais eficácia em células solares finas. Como resultado, estamos um passo mais perto de finos, células solares baratas.

Os pesquisadores em energia solar falam de um dia em que milhões de metros quadrados de telhados banhados pelo sol, de outra forma ociosa, janelas, desertos e até mesmo roupas serão integrados a células solares de baixo custo que são muitas vezes mais finas e leves do que os volumosos painéis de telhado conhecidos hoje.

Então, quando o seu iPod está em alta, você pode ligá-lo à sua camisa para recarregar. Perdido no Serengeti com um celular enfraquecido? Sem problemas; enrolado em sua mochila está uma almofada solar leve. Navegando pelos sete mares e seu GPS precisa de um pouco de energia? Iça uma vela solar e seja um com os deuses da órbita geossíncrona.

Não é difícil imaginar um tempo em que essas tecnologias serão onipresentes em nossas vidas cada vez mais famintas por energia. Esse dia pode chegar um pouco mais cedo, graças a uma equipe multidisciplinar de engenheiros de Stanford liderada por Mike McGehee, Yi Cui e Mark Brongersma, e acompanhado por Michael Graetzel na École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL).

Ondas de energia

Em um artigo publicado em Materiais de energia avançados , a equipe de Stanford / EPFL anunciou um novo tipo de célula solar fina que poderia oferecer uma nova direção para o campo. Eles conseguiram aproveitar a plasmônica - um ramo emergente da ciência e da tecnologia - para capturar a luz de forma mais eficaz dentro de células solares finas para melhorar o desempenho e colocá-las um passo mais perto da realidade diária.

"Os plasmônicos tornam muito mais fácil melhorar a eficiência das células solares, "disse McGehee, professor associado de ciência de materiais e engenharia em Stanford.

McGehee é o diretor do CAMP - Centro de Fotovoltaica Molecular Avançada - um centro multidisciplinar, equipe multiuniversitária que enfrenta os desafios das células solares de película fina.

"Usando plasmonics, podemos absorver a luz em filmes mais finos do que nunca, "McGehee disse." Quanto mais fino o filme, quanto mais próximas as partículas carregadas estão dos eletrodos. Em essência, mais elétrons podem chegar ao eletrodo para se tornarem eletricidade. "

Plasmonics é o estudo da interação da luz e do metal. Sob circunstâncias precisas, essas interações criam um fluxo de alta frequência, ondas elétricas densas em vez de partículas de elétrons. O pulso eletrônico viaja em ondas extremamente rápidas de maior e menor densidade, como som pelo ar.

Um waffle solar perfeito

O momento luminoso para a equipe veio quando eles imprimiram um padrão de favo de mel de ondulações em nanoescala em uma camada de metal dentro da célula solar. Pense nisso como um waffle em nanoescala, apenas as saliências no ferro waffle são cúpulas em vez de cubos - nanodomes para ser exato, cada um com apenas alguns bilionésimos de um metro de diâmetro.

Para fazer seu waffle, McGehee e os membros da equipe espalham uma fina camada de massa em um painel transparente, base eletricamente condutora. Esta massa é principalmente titânia, um metal semiporoso que também é transparente à luz. Próximo, eles usam seu ferro nano waffle para imprimir as covinhas na massa. Próximo, eles cobrem uma camada de manteiga - um corante fotossensível - que escorre para as covinhas e poros do waffle. Por último, os engenheiros adicionam um pouco de xarope - uma camada de prata, que endurece quase imediatamente.

Quando todos esses nanodimples se enchem, o resultado é um padrão de nanodomes no lado da prata voltado para a luz.

Essa camada irregular de prata tem dois benefícios principais. Primeiro, atua como um espelho, espalhar a luz não absorvida de volta ao corante para outra tentativa de coleta. Segundo, a luz interage com os nanodomes de prata para produzir efeitos plasmônicos. Essas cúpulas de prata são cruciais. Os refletores sem eles não produzirão o efeito desejado. E qualquer nanodome antigo também não servirá; eles devem ter o diâmetro e a altura certos, e espaçados apenas assim, para otimizar totalmente os plasmônicos.

Se você imaginar seu nano observando uma dessas células solares em câmera lenta, você veria os fótons entrarem e passarem pela base transparente e o titânia (o waffle), ponto em que alguns fótons seriam absorvidos pelo corante sensível à luz (a manteiga), criando uma corrente elétrica. A maioria dos fótons restantes atingiria o refletor de prata posterior (o xarope endurecido) e voltaria para a célula solar. Uma certa porção dos fótons que atingem a prata, Contudo, atingirá os nanodomes e fará com que as ondas plasmônicas se propaguem para fora. E aí está - a primeira célula solar sensibilizada com corante plasmônico.

Capturando a luz fantástica

É fácil ver por que os pesquisadores estão focados na tecnologia solar de película fina. Nos últimos anos, muita esperança foi direcionada para esses leves, células flexíveis que usam corantes fotossensíveis para gerar eletricidade. Essas células têm muitas vantagens:elas consomem menos energia e são menos caras de produzir, fluindo como papel de jornal em enormes prensas de rolo. Eles são ainda mais finos do que outras células solares "finas". Eles também podem ser impressos em bases flexíveis que podem ser enroladas e levadas virtualmente para qualquer lugar. Muitos usam atóxicos, materiais abundantemente disponíveis, também - uma grande vantagem na busca pela sustentabilidade.

As células solares sensibilizadas com corante apresentam desafios, Contudo. Primeiramente, os melhores convertem apenas uma pequena porcentagem da luz em eletricidade - cerca de 8%. As tecnologias comerciais mais volumosas disponíveis hoje alcançaram 25 por cento de eficiência, e certos aplicativos avançados atingiram 40%. E depois há durabilidade. A última célula solar fina durará cerca de sete anos sob contínua exposição aos elementos. Nada mal até você considerar que 20 a 30 anos é o padrão comercial.

Tanto a eficiência quanto a confiabilidade terão que melhorar. Apesar disso, engenheiros como McGehee acreditam que, se puderem converter apenas 15 por cento da luz em eletricidade - um número que não está fora de alcance - e aumentar o tempo de vida para uma década, poderemos em breve nos encontrar na era das células solares pessoais. Um avanço como a plasmônica só pode fornecer a centelha necessária para levar o campo por um caminho novo e excitante.

Uma questão de economia

Mais barato e mais limpo serão as chaves. A energia à base de carvão é abundante e barata, mas também tem um alto custo ambiental em paisagens escavadas e céus poluídos. Nas taxas comerciais de hoje, Contudo, mesmo as melhores alternativas solares custam cinco vezes mais por quilowatt-hora do que o carvão. É claro que a economia, e não tecnologia, é o que se interpõe entre nós e nosso futuro solar.

Mas McGehee e outros estão confiantes de que podem tornar as células solares finas mais atraentes.