p (PhysOrg.com) - Pesquisadores do MIT descobriram uma maneira de fazer melhorias significativas na eficiência de conversão de energia das células solares, recrutando os serviços de pequenos vírus para realizar um trabalho de montagem detalhado no nível microscópico. p Em uma célula solar, a luz do sol atinge um material de coleta de luz, fazendo com que ele libere elétrons que podem ser aproveitados para produzir uma corrente elétrica. A nova pesquisa do MIT, publicado online esta semana no jornal Nature Nanotechnology , é baseado em descobertas de que nanotubos de carbono - microscópicos, cilindros ocos de carbono puro - podem aumentar a eficiência da coleta de elétrons da superfície de uma célula solar.

p Tentativas anteriores de usar os nanotubos, Contudo, foi frustrado por dois problemas. Primeiro, a fabricação de nanotubos de carbono geralmente produz uma mistura de dois tipos, alguns dos quais atuam como semicondutores (às vezes permitindo que uma corrente elétrica flua, às vezes não) ou metais (que agem como fios, permitindo que a corrente flua facilmente). A nova pesquisa, pela primeira vez, mostraram que os efeitos desses dois tipos tendem a ser diferentes, porque os nanotubos semicondutores podem melhorar o desempenho das células solares, mas os metálicos têm o efeito oposto. Segundo, nanotubos tendem a se agrupar, o que reduz sua eficácia.

p E é aí que os vírus vêm para o resgate. Alunos de pós-graduação Xiangnan Dang e Hyunjung Yi - trabalhando com Angela Belcher, o professor de energia W. M. Keck, e vários outros pesquisadores - descobriram que uma versão geneticamente modificada de um vírus chamado M13, que normalmente infecta bactérias, pode ser usado para controlar o arranjo dos nanotubos em uma superfície, mantendo os tubos separados para que não possam causar curto-circuito nos circuitos, e manter os tubos separados para que não se aglutinem.

p O sistema que os pesquisadores testaram usou um tipo de célula solar conhecida como células solares sensibilizadas por corante, um tipo leve e barato, onde a camada ativa é composta de dióxido de titânio, em vez do silício usado em células solares convencionais. Mas a mesma técnica pode ser aplicada a outros tipos também, incluindo pontos quânticos e células solares orgânicas, dizem os pesquisadores. Em seus testes, adicionar as estruturas criadas por vírus aumentou a eficiência de conversão de energia de 8% para 10,6 por cento - quase um terço da melhoria.

p Essa melhoria dramática ocorre mesmo que os vírus e os nanotubos representem apenas 0,1 por cento do peso da célula acabada. “Um pouco de biologia ajuda muito, ”Diz Belcher. Com mais trabalho, os pesquisadores acham que podem aumentar ainda mais a eficiência.

p Os vírus são usados ​​para ajudar a melhorar uma etapa específica no processo de conversão da luz solar em eletricidade. Em uma célula solar, o primeiro passo é a energia da luz soltar os elétrons do material da célula solar (geralmente o silício); então, esses elétrons precisam ser canalizados para um coletor, a partir do qual eles podem formar uma corrente que flui para carregar uma bateria ou alimentar um dispositivo. Depois disso, eles voltam ao material original, onde o ciclo pode começar novamente. O novo sistema tem como objetivo aumentar a eficiência da segunda etapa, ajudando os elétrons a encontrarem seu caminho:Adicionar os nanotubos de carbono à célula "fornece um caminho mais direto para o coletor de corrente, ”Diz Belcher.

p Na verdade, os vírus realizam duas funções diferentes nesse processo. Primeiro, eles possuem proteínas curtas chamadas peptídeos que podem se ligar fortemente aos nanotubos de carbono, segurando-os no lugar e mantendo-os separados uns dos outros. Cada vírus pode conter de cinco a 10 nanotubos, cada um dos quais é mantido firmemente no lugar por cerca de 300 das moléculas de peptídeo do vírus. Além disso, o vírus foi projetado para produzir um revestimento de dióxido de titânio (TiO2), um ingrediente chave para células solares sensibilizadas com corantes, sobre cada um dos nanotubos, colocar o dióxido de titânio em estreita proximidade com os nanotubos semelhantes a fios que transportam os elétrons.

p As duas funções são realizadas em sucessão pelo mesmo vírus, cuja atividade é “trocada” de uma função para a outra, alterando a acidez de seu ambiente. Este recurso de comutação é um novo recurso importante que foi demonstrado pela primeira vez nesta pesquisa, Diz Belcher.

p Além disso, os vírus tornam os nanotubos solúveis em água, o que permite incorporar os nanotubos à célula solar por meio de um processo à base de água que funciona à temperatura ambiente.

p Prashant Kamat, um professor de química e bioquímica da Universidade de Notre Dame que realizou um amplo trabalho em células solares sensibilizadas com corantes, diz que, embora outros tenham tentado usar nanotubos de carbono para melhorar a eficiência da célula solar, “As melhorias observadas em estudos anteriores foram marginais, ”Enquanto as melhorias feitas pela equipe do MIT usando o método de montagem de vírus são“ impressionantes ”.

p “É provável que a montagem do modelo de vírus tenha permitido aos pesquisadores estabelecer um contato melhor entre as nanopartículas de TiO2 e os nanotubos de carbono. Esse contato próximo com nanopartículas de TiO2 é essencial para afastar os elétrons fotogerados rapidamente e transportá-los de forma eficiente para a superfície do eletrodo de coleta. ”

p Kamat acredita que o processo pode muito bem levar a um produto comercial viável:“Células solares sensibilizadas com corante já foram comercializadas no Japão, Coréia e Taiwan, ”Diz ele. Se a adição de nanotubos de carbono por meio do processo de vírus puder melhorar sua eficiência, “É provável que a indústria adote esses processos”.

p Belcher e seus colegas usaram anteriormente versões de engenharia diferente do mesmo vírus para melhorar o desempenho de baterias e outros dispositivos, mas o método usado para melhorar o desempenho da célula solar é bem diferente, ela diz.

p Como o processo apenas adicionaria uma etapa simples a um processo de fabricação de células solares padrão, deve ser muito fácil adaptar as instalações de produção existentes e, portanto, deve ser possível implementar de forma relativamente rápida, Diz Belcher.