Uma célula solar convencional, deixou, reflete a luz de sua superfície e perde a luz que penetra na célula. Nova tecnologia, direito, desenvolvido pelo professor de Princeton Stephen Chou e colegas da engenharia elétrica, previne os dois tipos de perda e é muito mais fino. Crédito:Ilustração de Dimitri Karetnikov
Os pesquisadores de Princeton encontraram uma maneira simples e econômica de quase triplicar a eficiência das células solares orgânicas, os dispositivos de plástico baratos e flexíveis que muitos cientistas acreditam que podem ser o futuro da energia solar.
Os pesquisadores, liderado pelo engenheiro elétrico Stephen Chou, foram capazes de aumentar a eficiência em 175% usando um "sanduíche" nanoestruturado de metal e plástico que coleta e captura a luz. Chou disse que a tecnologia também deve aumentar a eficiência dos coletores solares inorgânicos convencionais, como painéis solares de silício padrão, embora ele tenha alertado que sua equipe ainda não concluiu a pesquisa com dispositivos inorgânicos.
Chou disse que a equipe de pesquisa usou a nanotecnologia para superar dois desafios principais que fazem com que as células solares percam energia:a luz refletida da célula, e a incapacidade de capturar totalmente a luz que entra na célula.
Com seu novo sanduíche metálico, os pesquisadores conseguiram resolver os dois problemas. O sanduíche - chamado de cavidade plasmônica de sub comprimento de onda - tem uma capacidade extraordinária de amortecer a reflexão e capturar a luz. A nova técnica permitiu à equipe de Chou criar uma célula solar que reflete apenas cerca de 4% da luz e absorve até 96%. Ele demonstra uma eficiência 52% maior na conversão de luz em energia elétrica do que uma célula solar convencional.
Isso é para luz solar direta. A estrutura atinge ainda mais eficiência para a luz que atinge a célula solar em grandes ângulos, que ocorre em dias nublados ou quando a célula não está diretamente voltada para o sol. Ao capturar esses raios angulares, a nova estrutura aumenta a eficiência em 81 por cento adicionais, levando a um aumento total de 175%.
A física por trás da inovação é extremamente complexa. Mas a estrutura do dispositivo, no conceito, é bastante simples.
A camada superior, conhecida como camada de janela, da nova célula solar usa uma malha de metal incrivelmente fina:o metal tem 30 nanômetros de espessura, e cada furo tem 175 nanômetros de diâmetro e 25 nanômetros de distância. Essa malha substitui a camada de janela convencional normalmente feita de um material denominado óxido de índio-estanho (ITO).
Esta imagem do microscópio eletrônico mostra a malha de ouro criada por Chou e seus colegas. Cada buraco tem 175 nanômetros de diâmetro, que é menor que o comprimento de onda da luz. Crédito:Imagem cortesia do laboratório Chou
A camada da janela de malha é colocada muito perto da camada inferior do sanduíche, o mesmo filme de metal usado em células solares convencionais. Entre as duas folhas de metal está uma tira fina de material semicondutor usado em painéis solares. Pode ser de qualquer tipo - silício, plástico ou arseneto de gálio - embora a equipe de Chou tenha usado um plástico de 85 nanômetros de espessura.
As características da célula solar - o espaçamento da malha, a espessura do sanduíche, o diâmetro dos orifícios - são todos menores do que o comprimento de onda da luz que está sendo coletada. Isso é crítico porque a luz se comporta de maneiras muito incomuns em estruturas de comprimento de onda inferior. A equipe de Chou descobriu que o uso dessas estruturas de sub comprimento de onda lhes permitiu criar uma armadilha na qual a luz entra, com quase nenhum reflexo, e não sai.
Uma parte fundamental da nova tecnologia é uma malha de ouro fina, que serve como uma camada de "janela" para a célula solar. Crédito:Imagem cortesia do laboratório Chou
"É como um buraco negro para a luz, "Chou disse." É uma armadilha.
A equipe chama o sistema de "cavidade plasmônica com matriz de orifícios de comprimento de onda" ou PlaCSH. Fotos da superfície das células solares PlaCSH demonstram este efeito de absorção de luz:sob a luz do sol, uma célula de energia solar padrão parece tingida devido à luz refletida em sua superfície, mas o PlaCSH parece profundamente preto por causa do reflexo de luz extremamente baixo.
Os pesquisadores esperavam um aumento na eficiência da técnica, "mas claramente o aumento que encontramos foi além de nossas expectativas, "Chou disse.
Chou e o estudante de graduação Wei Ding relataram suas descobertas no jornal Optics Express , publicado online em 28 de novembro, 2012. Seu trabalho foi apoiado em parte pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa, o Office of Naval Research e a National Science Foundation.
Os pesquisadores disseram que as células solares PlaCSH podem ser fabricadas de forma econômica em folhas do tamanho de papel de parede. O laboratório de Chou usou "nanoimpressão, "uma técnica de nanofabricação de baixo custo que Chou inventou 16 anos atrás, que grava nanoestruturas em uma grande área, como imprimir um jornal.
Além do design inovador, o trabalho envolveu a otimização do sistema. Conseguir a estrutura exatamente certa "é fundamental para alcançar alta eficiência, "disse Ding, um estudante de graduação em engenharia elétrica.
Chou disse que o desenvolvimento pode ter várias aplicações dependendo do tipo de coletor solar. Nesta série de experimentos, Chou e Ding trabalharam com células solares feitas de plástico, chamadas células solares orgânicas. O plástico é barato e maleável e a tecnologia é muito promissora, mas seu uso comercial tem sido limitado devido à baixa eficiência das células solares orgânicas.
Além de um aumento direto na eficiência das células, o novo filme de metal nanoestruturado também substitui o eletrodo ITO atual, que é a parte mais cara da maioria das células solares orgânicas atuais.
"PlaCSH também é extremamente flexível, "Chou disse." A propriedade mecânica do ITO é como o vidro; é muito frágil. "
