p O silício altamente purificado representa até 40 por cento dos custos gerais de matrizes convencionais de células solares - por isso, os pesquisadores há muito buscam maximizar a produção de energia e, ao mesmo tempo, minimizar o uso de silício. Agora, uma equipe do MIT encontrou uma nova abordagem que poderia reduzir a espessura do silício usado em mais de 90 por cento, mantendo a alta eficiência. p O segredo está em um padrão de minúsculas pirâmides invertidas gravadas na superfície do silício. Essas pequenas reentrâncias, cada um com menos de um milionésimo de metro de diâmetro, pode capturar raios de luz com a mesma eficácia que as superfícies convencionais de silício sólido que são 30 vezes mais espessas.

p As novas descobertas estão sendo relatadas no jornal Nano Letras em um artigo do pós-doutorado do MIT Anastassios Mavrokefalos, professor Gang Chen, e três outros pós-doutorandos e alunos de graduação, todo o Departamento de Engenharia Mecânica do MIT.

p “Vemos nosso método como um aprimoramento do desempenho das células solares de película fina, ”Mavrokefalos diz, mas na verdade funcionaria para qualquer célula de silício. “Isso aumentaria a eficiência, não importa a espessura, ”Diz ele.

p O estudante de graduação Matthew Branham, um co-autor do artigo, diz, “Se você pode cortar drasticamente a quantidade de silício [em uma célula solar] ... você pode potencialmente fazer uma grande diferença no custo de produção. O problema é, quando você o torna muito fino, não absorve luz também. ”

p A operação de uma célula solar ocorre em duas etapas básicas:Primeiro, uma partícula de luz entrando, chamado de fóton, entra e é absorvido pelo material, em vez de refletir em sua superfície ou passar direto. Segundo, elétrons liberados de seus átomos quando o fóton é absorvido, então precisam fazer seu caminho para um fio onde podem ser aproveitados para produzir uma corrente elétrica, em vez de apenas ser preso por outros átomos.

p Infelizmente, a maioria dos esforços para aumentar a capacidade do silício cristalino fino de capturar fótons - por exemplo, criando uma floresta de minúsculos nanofios de silício na superfície - também aumenta muito a área de superfície do material, aumentando a chance de que os elétrons se recombinem na superfície antes que possam ser aproveitados.

p A nova abordagem evita esse problema. As pequenas reentrâncias da superfície - a equipe as chama de "nanopiramidas invertidas" - aumentam muito a absorção de luz, mas com apenas um aumento de 70 por cento na área de superfície, limitar a recombinação de superfície. Usando este método, uma folha de silício cristalino com apenas 10 micrômetros (milionésimos de metro) de espessura pode absorver luz com a eficiência de um wafer de silício convencional 30 vezes mais espesso.

p Isso não só poderia reduzir a quantidade de caro, silício altamente purificado necessário para fazer as células solares, Mavrokefalos explica, mas também reduz o peso das células, o que, por sua vez, reduziria o material necessário para armações e suportes. As economias de custo potenciais "não estão apenas no material da célula, mas também nos custos de instalação, ”Diz ele.

p Além disso, a técnica desenvolvida por Mavrokefalos e seus colegas usa equipamentos e materiais que já são partes padrão do processamento de chips de silício, portanto, nenhum novo maquinário de fabricação ou produtos químicos seria necessário. “É muito fácil de fabricar, ”Mavrokefalos diz, ainda assim, “ataca grandes problemas”.

p Para criar as pequenas marcas, os pesquisadores usam dois conjuntos de feixes de laser sobrepostos para produzir orifícios excepcionalmente minúsculos em uma camada de material - chamada de fotorresiste - que é depositada no topo do silício. Esta técnica de litografia de interferência é escalonável para uma grande área. Seguindo várias etapas intermediárias, um produto químico chamado hidróxido de potássio é usado para dissolver partes da superfície que não foram cobertas pelo fotorresiste. A estrutura cristalina do silício conduz este processo de corrosão para produzir as formas piramidais desejadas na superfície, Mavrokefalos diz.

p Até aqui, a equipe deu apenas o primeiro passo para fazer o novo tipo de células solares, produzindo a superfície padronizada em um wafer de silício e demonstrando sua melhoria na captura de luz. O próximo passo será adicionar componentes para produzir uma célula fotovoltaica real e então mostrar que sua eficiência é comparável à das células solares convencionais. A expectativa é que a nova abordagem produza eficiências de conversão de energia de cerca de 20 por cento - em comparação com 24 por cento para as melhores células solares de silício comerciais atuais - mas isso ainda precisa ser provado na prática.

p Chen, o Professor Carl Richard Soderberg de Engenharia de Energia e diretor dos Laboratórios de Engenharia Pappalardo Micro e Nano do MIT, diz que se tudo correr bem, o sistema pode levar a produtos comerciais em um futuro próximo.

p Chen diz que a ideia foi desenvolvida após analisar uma grande variedade de configurações de superfície possíveis em simulações de computador, e encontrar o arranjo que mostrou as maiores melhorias potenciais no desempenho. Mas muitas equipes em todo o mundo estão buscando uma série de abordagens para melhorar o desempenho da célula solar usando diferentes materiais, métodos e configurações de fabricação.

p “É difícil escolher um vencedor, ”Ele diz, mas essa abordagem é muito promissora. “Estamos bastante otimistas de que esta é uma abordagem viável.”

p Yi Cui, professor associado de ciência de materiais e engenharia da Universidade de Stanford, afirma que este trabalho produziu “resultados muito empolgantes. O impacto prático potencial deste trabalho pode ser significativo, uma vez que fornece uma estrutura eficaz para o gerenciamento de fótons para habilitar células finas ”.

p Cui afirma que, uma vez que o custo do material de silício “contribui significativamente para o custo das células solares, ”Desenvolver células solares de silício finas que ainda podem absorver fótons de forma eficiente“ é importante para reduzir o custo. ”

p O trabalho, que também envolveu os pós-docs Sang Eon Han e Selcuk Yerci, foi apoiado pelo Programa Sunshot do Departamento de Energia dos EUA e pela National Science Foundation. p Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.