(PhysOrg.com) - As células solares de melhor desempenho são aquelas que são grossas o suficiente para absorver a luz de todo o espectro solar, enquanto as células solares mais baratas são as finas, já que exigem menos, e potencialmente mais barato, material. Na tentativa de combinar o melhor dos dois mundos, uma equipe de cientistas delineou projetos para células solares que podem absorver luz de todo o espectro solar, mas têm apenas 10 nanômetros de espessura. A nova abordagem de design, o que poderia levar a células solares de baixo custo aprimoradas, requer a superação de um limite de captura de luz termodinâmica proposto na década de 1980.

Os cientistas, Dennis Callahan, Jeremy Munday, e Harry Atwater, do Instituto de Tecnologia da Califórnia em Pasadena, Califórnia, relataram o novo método de captura de luz além do limite convencional em um estudo publicado em uma edição recente da Nano Letras .

Seu trabalho aborda um estudo de 1982 que propôs um limite termodinâmico de quanto da faixa de comprimento de onda óptico pode ser absorvido por placas semicondutoras de massa homogênea. O limite exige que esses materiais tenham uma espessura mínima para absorver a luz de todo o espectro solar. Como resultado, as células solares semicondutoras de hoje são geralmente projetadas com espessas camadas de absorção, a fim de reter o máximo de luz solar possível, que pode ser caro e complicado de fabricar.

Análises anteriores desse limite de captura de luz (que às vezes é chamado de limite óptico de raio ou limite de captura de luz ergódica) mostraram que algumas células solares realmente excedem o limite aproveitando as interações das ondas. Embora os pesquisadores tenham teoricamente explicado como isso acontece em casos selecionados, não há uma explicação geral que possa ser estendida à ampla variedade de esquemas de captura de luz propostos que também podem ser capazes de exceder o limite.

Aqui, os cientistas do Caltech propuseram que a chave para superar o limite de captura de luz está em aumentar a densidade dos estados ópticos de um semicondutor. Como cada um desses estados pode aceitar luz de um determinado comprimento de onda, ter mais deles pode aumentar a quantidade de luz que um material pode absorver.

“Agora está claro como pensar e projetar células solares que podem potencialmente exceder o limite anterior de captura de luz, ”Callahan disse PhysOrg.com . “Tudo que você precisa fazer é pensar em uma maneira de aumentar a densidade dos estados ópticos, e preencher esses estados. Existem muitas ferramentas e métodos que foram projetados para aumentar a densidade dos estados ópticos para outras áreas de pesquisa, por exemplo, comunicação óptica e óptica quântica. Mas agora os pesquisadores de células solares podem pegar essas idéias e colocá-las no contexto apropriado para células solares com a ajuda de nosso trabalho. Também, se alguém está trabalhando com um tipo específico de célula solar, agora deve ficar claro se tem potencial para exceder o limite anterior ou não. ”

Os pesquisadores demonstraram que qualquer material semicondutor pode exceder o limite de captura de luz quando a densidade local de estados ópticos (LDOS) de sua camada absorvente excede o LDOS do material semicondutor em massa. Eles também mostram que aumentar o LDOS do absorvedor para um nível necessário para absorver 99,9% do espectro solar é viável mesmo para semicondutores tão finos quanto 10-100 nanômetros (em comparação com camadas de micrômetro de espessura usadas nos dispositivos comerciais de hoje).

“Nossos resultados sugerem que se você pode projetar o ambiente eletromagnético da maneira certa, deve ser possível ir tão fino quanto 10 nm, ”Callahan disse. “É apenas uma questão de como projetá-lo de forma adequada e sem introduzir perdas parasitas indesejadas. Este é certamente um desafio, mas é algo em que estamos pensando. Agora, uma célula solar de 10 nm é provavelmente impraticável por outros motivos, como a necessidade de várias camadas, recombinação de superfície, efeitos quânticos potenciais, etc, mas ainda está dentro do reino da possibilidade. ”

O limite mais importante para aumentar o LDOS da camada absorvente surge devido à "densidade das regras de soma de estados, ”Que dizem que aumentar o LDOS em uma região do espectro resulta em uma diminuição em outra região do espectro. Como os cientistas explicam, esta conservação de LDOS ocorre naturalmente por um processo denominado reponderação espectral, e também pode ser potencialmente projetado artificialmente. Embora esta regra imponha um limite superior para a absorbância de uma célula solar, os pesquisadores explicam que não deve limitar a absorbância da célula solar para fins práticos. Isso ocorre porque o aprimoramento de LDOS é necessário apenas no espectro solar, enquanto LDOS pode ser diminuído em qualquer região fora do espectro solar, uma área muito maior. Por esta razão, outros limites físicos e práticos, como desafios de saturação ou fabricação, provavelmente se tornará relevante antes que um limite seja alcançado para aumentar o LDOS.

Os cientistas também mostraram que uma variedade de projetos de absorvedores solares podem atender aos critérios fundamentais aqui propostos para exceder o limite de captura de luz convencional, ou seja, exibindo um LDOS que é maior do que o do material a granel. Alguns projetos incluem o uso de materiais plasmônicos, guias de ondas dielétricas, cristais fotônicos, e outros dispositivos.

“No momento, estamos tentando encontrar maneiras de projetar e aumentar a densidade dos estados ópticos tão alto quanto podemos dentro de um projeto prático de célula solar, ”Callahan disse. “Esta é uma tarefa desafiadora para materiais de alto índice como o silício, mas existem muitas possibilidades que estamos examinando que parecem promissoras. ”

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