p (Phys.org) —Os cientistas descobriram que uma célula solar que consiste em duas ou três camadas de pontos quânticos, com cada camada sintonizada em uma parte diferente do espectro solar, tem uma eficiência 40-60% maior do que a soma das eficiências de células solares separadas, cada uma composta por uma das camadas individuais. O efeito sinérgico da arquitetura em camadas pode levar a novas maneiras de projetar células solares de pontos quânticos com alta eficiência e absorção de amplo espectro. p Os pesquisadores que projetaram e fabricaram as novas células solares, Pralay K. Santra e o professor Prashant V. Kamat da Universidade de Notre Dame em Indiana, queria testar o conceito proposto anteriormente de uma célula solar arco-íris, que pode coletar fótons de todas as "cores" ou comprimentos de onda do espectro visível.

p A fim de fabricar uma célula solar arco-íris, os cientistas precisam incorporar componentes de coleta de luz com várias propriedades para capturar diferentes partes do espectro. Uma maneira de fazer isso é usando pontos quânticos, que pode ser ajustado para capturar comprimentos de onda de luz específicos. A maneira típica de ajustar o gap de um ponto quântico para capturar um determinado comprimento de onda de luz é controlar o tamanho do ponto durante a síntese.

p Aqui, os pesquisadores escolheram uma maneira diferente de ajustar as lacunas de banda dos pontos:controlando sua composição. Todos os pontos quânticos que eles usaram eram quase do mesmo tamanho (4,5 nm) e feitos de cádmio, selênio, e enxofre, mas a quantidade de selênio em cada ponto era variada. Os pontos quânticos com as menores quantidades de selênio tinham os maiores intervalos de banda e capturavam os comprimentos de onda mais curtos da luz. Com base nesta relação, os pesquisadores sintetizaram três tipos de pontos quânticos:verdes, que teve o maior gap de banda; laranja, que tinha um gap intermediário; e vermelho, que tinha o menor intervalo de banda.

p Depois de sintetizar os pontos quânticos, os pesquisadores os depositaram em um TiO ₂ filme uma camada de cada vez, começando com os pontos verdes, seguido por laranja, e finalmente vermelho. O filme em camadas tandem foi então usado como um fotoanodo, que coleta a luz que entra em uma célula solar.

p "Para o melhor de nosso conhecimento, esta é a primeira abordagem sistemática de depósito de duas ou mais camadas de pontos para colher fótons sequencialmente em células solares de pontos quânticos, "Kamat disse Phys.org . "O ajuste das lacunas de banda dos pontos quânticos variando a composição é uma ideia relativamente nova e está sendo explorada por alguns grupos."

p Ao experimentar diferentes versões desta nova célula solar de camadas tandem, os pesquisadores descobriram que podiam obter o melhor desempenho com apenas duas camadas:uma camada de pontos laranja seguida por uma camada de pontos vermelhos. Esta célula composta exibiu uma eficiência de 3,2%, enquanto uma célula que incluiu os pontos verdes teve uma eficiência ligeiramente inferior de 3,0%

p Ainda mais interessante é o efeito sinérgico que os cientistas descobriram nessas células. A eficiência observada da célula de camada laranja / vermelha de 3,2% é 41% maior do que a eficiência esperada de 2,27%, que é calculado adicionando as eficiências de duas células separadas, um com laranja e outro com pontos vermelhos. E a eficiência observada de uma célula com todas as três cores de pontos, 3,0%, é 60% maior do que a eficiência aditiva estimada de 1,87%.

p Embora os cientistas não tenham certeza do que causa os efeitos sinérgicos, eles têm duas idéias. Uma possibilidade é que as energias da banda dos pontos se alinhem de forma a permitir uma cascata de transferência de elétrons de pontos de banda maior para pontos de banda menor, onde os elétrons se acumulam. A outra ideia envolve a transferência de energia dos pontos de maior intervalo de banda para os pontos de menor intervalo de banda, onde a excitação está concentrada. Em ambos os cenários, os elétrons ou excitações aumentam o processo de transferência de elétrons, o que leva ao aumento da geração de energia e maior eficiência. Os cientistas suspeitam que ambas as vias podem funcionar juntas para melhorar o desempenho.

p "O significado das células solares de pontos quânticos em camadas tandem ainda não foi totalmente compreendido, "Kamat disse." Este é o nosso esforço inaugural e abre novos caminhos para projetar células solares de maior eficiência. A estrutura em tandem permite a absorção seletiva de luz, maximizando assim a eficiência da conversão de energia luminosa. As perdas de energia decorrentes da termalização de elétrons excitados podem ser bastante minimizadas por esta abordagem simples. "

p Com base nessas ideias, os cientistas esperam melhorar ainda mais o desempenho das células solares no futuro.

p "Ainda precisamos de mais melhorias na eficiência de conversão de energia, "Kamat disse." Nós agora iniciamos uma abordagem multifacetada para melhorar a eficiência das células solares de pontos quânticos em tandem, incorporando pontos quânticos de diferentes materiais (sulfeto de cobre e índio, seleneto de cádmio e seleneto de chumbo) e estender a fotorresposta ainda mais no infravermelho. Medições espectroscópicas estão em andamento para estabelecer os efeitos sinérgicos em células solares de pontos quânticos em tandem. " p © 2013 Phys.org