(PhysOrg.com) - As células solares ou fotovoltaicas representam uma das melhores tecnologias possíveis para fornecer uma fonte de energia absolutamente limpa e praticamente inesgotável para alimentar nossa civilização. Contudo, para que este sonho seja realizado, as células solares precisam ser feitas de elementos baratos, de baixo custo, química de processamento menos intensiva em energia, e precisam converter a luz solar em eletricidade de maneira eficiente e econômica. Uma equipe de pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (DOE) já demonstrou dois de três desses requisitos com um início promissor no terceiro.

Peidong Yang, um químico da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab, liderou o desenvolvimento de uma técnica baseada em solução para a fabricação de células solares de nanofios de núcleo / casca usando os semicondutores sulfeto de cádmio para o núcleo e sulfeto de cobre para a casca. Essas células solares de nanofio, baratas e fáceis de fazer, exibiam voltagem de circuito aberto e valores de fator de preenchimento superiores às células solares planas convencionais. Juntos, a tensão de circuito aberto e o fator de preenchimento determinam a energia máxima que uma célula solar pode produzir. Além disso, os novos nanofios também demonstraram uma eficiência de conversão de energia de 5,4 por cento, que é comparável às células solares planas.

"Esta é a primeira vez que uma técnica de química de troca catiônica baseada em solução foi usada para a produção de sulfeto de cádmio / núcleo de sulfeto de cobre / nanofios monocristalinos de alta qualidade, "Yang diz." Nossa conquista, juntamente com o aumento da absorção de luz que demonstramos anteriormente em matrizes de nanofios por meio de captura de luz, indica que os nanofios core / shell são realmente promissores para a futura tecnologia de células solares. "

Yang, que tem um compromisso conjunto com a Universidade da Califórnia (UC) Berkeley, é o autor correspondente de um artigo relatando essa pesquisa que aparece na revista Nature Nanotechnology. O artigo é intitulado "Nanofios core-shell processados ​​por solução para células fotovoltaicas eficientes." Jinyao Tang, coautor deste artigo com Yang, Ziyang Huo, Sarah Brittman e Hanwei Gao.

As células solares típicas de hoje são feitas de pastilhas de silício de cristal único ultra-puro que requerem cerca de 100 micrômetros de espessura desse material muito caro para absorver luz solar suficiente. Além disso, o alto nível de purificação de cristal necessário torna a fabricação mesmo da célula solar plana mais simples à base de silício um complexo, processo que consome muita energia e é caro.

Uma alternativa altamente promissora seriam os nanofios semicondutores - tiras unidimensionais de materiais cuja largura mede apenas um milésimo de um cabelo humano, mas cujo comprimento pode chegar à escala milimétrica. As células solares feitas de nanofios oferecem uma série de vantagens sobre as células solares planas convencionais, incluindo melhores capacidades de separação e coleta de carga, além disso, eles podem ser feitos de materiais abundantes na Terra, em vez de silício altamente processado. A data, Contudo, as eficiências mais baixas das células solares baseadas em nanofios superaram seus benefícios.

"As células solares nanofio no passado demonstraram fatores de preenchimento e tensões de circuito aberto muito inferiores às de suas contrapartes planas, "Yang diz." As possíveis razões para este mau desempenho incluem recombinação de superfície e controle insuficiente sobre a qualidade das junções p-n quando processos de dopagem de alta temperatura são usados. "

No coração de todas as células solares estão duas camadas separadas de material, um com abundância de elétrons que funcionam como 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 junção p-n - a interface entre as duas camadas - e coletados como eletricidade.

Cerca de um ano atrás, trabalhando com silício, Yang e membros de seu grupo de pesquisa desenvolveram uma maneira relativamente barata de substituir as junções p-n planas de células solares convencionais por uma junção p-n radial, em que uma camada de silício do tipo n formou uma concha em torno de um núcleo de nanofio de silício do tipo p. Essa geometria efetivamente transformou cada nanofio individual em uma célula fotovoltaica e melhorou muito as capacidades de captura de luz dos filmes finos fotovoltaicos baseados em silício.

Agora eles aplicaram essa estratégia para a fabricação de nanofios de núcleo / casca usando sulfeto de cádmio e sulfeto de cobre, mas desta vez usando solução química. Esses nanofios core / shell foram preparados usando uma reação de troca catiônica (íon negativo) baseada em solução que foi originalmente desenvolvida pelo químico Paul Alivisatos e seu grupo de pesquisa para fazer pontos quânticos e nanobastões. Alivisatos é agora o diretor do Berkeley Lab, e o professor de nanotecnologia Larry e Diane Bock da UC Berkeley.

"Os nanofios de sulfeto de cádmio iniciais foram sintetizados por transporte físico de vapor usando um mecanismo de vapor-líquido-sólido (VLS) em vez de química úmida, que nos deu material de melhor qualidade e maior comprimento físico, mas certamente também podem ser feitos usando o processo de solução ", diz Yang." Os nanofios de sulfeto de cádmio monocristalino crescidos têm diâmetros entre 100 e 400 nanômetros e comprimentos de até 50 milímetros. "

Os nanofios de sulfeto de cádmio foram então mergulhados em uma solução de cloreto de cobre a uma temperatura de 50 graus Celsius e mantidos por 5 a 10 segundos. A reação de troca catiônica converteu a camada superficial do sulfeto de cádmio em uma camada de sulfeto de cobre.

"A reação de troca catiônica baseada em solução nos fornece uma maneira fácil, método de baixo custo para preparar nanomateriais heteroepitaxiais de alta qualidade, "Yang diz." Além disso, contorna as dificuldades de dopagem e deposição de alta temperatura para métodos de produção de fase de vapor típicos, o que sugere custos de fabricação muito mais baixos e melhor reprodutibilidade. Tudo o que realmente precisamos são copos e frascos para este processo baseado em solução. Não há nenhum dos altos custos de fabricação associados à deposição de vapor químico epitaxial em fase gasosa e epitaxia de feixe molecular, as técnicas mais usadas hoje para fabricar nanofios semicondutores. "

Yang e seus colegas acreditam que podem melhorar a eficiência de conversão de energia de seus nanofios de células solares, aumentando a quantidade de material de revestimento de sulfeto de cobre. Para que sua tecnologia seja comercialmente viável, eles precisam alcançar uma eficiência de conversão de energia de pelo menos dez por cento.