Cientistas da Universidade de Stanford criaram o mais fino, mais eficiente absorvedor de luz visível registrado. A estrutura nanométrica, milhares de vezes mais fina do que uma folha de papel comum, poderia reduzir o custo e melhorar a eficiência das células solares, de acordo com os cientistas. Seus resultados são publicados na atual edição online da revista. Nano Letras .

"Alcançar a absorção completa da luz visível com uma quantidade mínima de material é altamente desejável para muitas aplicações, incluindo a conversão de energia solar em combustível e eletricidade, "disse Stacey Bent, professor de engenharia química em Stanford e membro da equipe de pesquisa. "Nossos resultados mostram que é possível que uma camada extremamente fina de material absorva quase 100 por cento da luz incidente de um comprimento de onda específico."

Células solares mais finas requerem menos material e, portanto, custam menos. O desafio dos pesquisadores é reduzir a espessura da célula sem comprometer sua capacidade de absorver e converter a luz solar em energia limpa.

Para o estudo, a equipe de Stanford criou bolachas finas pontilhadas com trilhões de partículas redondas de ouro. Cada nanoponto de ouro tinha cerca de 14 nanômetros de altura e 17 nanômetros de largura.

Espectro visível

Uma célula solar ideal seria capaz de absorver todo o espectro de luz visível, desde ondas de luz violeta com 400 nanômetros de comprimento até ondas vermelhas com 700 nanômetros de comprimento, bem como luz ultravioleta e infravermelha invisível. No experimento, O pós-doutorado Carl Hagglund e seus colegas conseguiram ajustar os nanopontos de ouro para absorver uma luz de um ponto do espectro:ondas de luz laranja-avermelhadas com cerca de 600 nanômetros de comprimento.

"Muito parecido com uma corda de violão, que tem uma frequência de ressonância que muda quando você o afina, partículas de metal têm uma frequência de ressonância que pode ser ajustada para absorver um determinado comprimento de onda de luz, "disse Hagglund, autor principal do estudo. "Ajustamos as propriedades ópticas de nosso sistema para maximizar a absorção de luz."

As bolachas preenchidas com nanopontos de ouro foram fabricadas em uma instalação da Hitachi próxima usando uma técnica chamada litografia de copolímero em bloco. Cada wafer continha cerca de 520 bilhões de nanopontos por polegada quadrada. Sob o microscópio, o arranjo hexagonal de partículas lembrava um favo de mel.

A equipe de Hagglund adicionou um revestimento de película fina no topo das bolachas usando um processo chamado deposição de camada atômica. “É uma técnica muito atraente, porque você pode revestir as partículas uniformemente e controlar a espessura do filme até o nível atômico, "disse ele." Isso nos permitiu ajustar o sistema simplesmente mudando a espessura do revestimento em torno dos pontos. Pessoas construíram matrizes como esta, mas eles não os ajustaram para as condições ideais para absorção de luz. Esse é um aspecto novo do nosso trabalho. "

Resultados de registro

Os resultados foram recordes. "As bolachas revestidas absorveram 99 por cento da luz laranja-avermelhada, "Hagglund disse." Nós também alcançamos 93 por cento de absorção nos próprios nanopontos de ouro. O volume de cada ponto é equivalente a uma camada de ouro de apenas 1,6 nanômetro de espessura, tornando-o o mais fino absorvedor de luz visível já registrado - cerca de 1, 000 vezes mais fino do que os absorvedores de células solares de película fina disponíveis no mercado. "

O detentor do recorde anterior exigia uma camada absorvente três vezes mais espessa para atingir a absorção total da luz, ele adicionou. "Então, nós empurramos substancialmente os limites do que pode ser alcançado para a coleta de luz, otimizando esses ultrafinos, sistemas nano-projetados, "Hagglund disse.

A próxima etapa da equipe de Stanford é demonstrar que a tecnologia pode ser usada em células solares reais.

"Estamos agora olhando para a construção de estruturas usando materiais semicondutores ultrafinos que podem absorver a luz solar, "disse Bent, co-diretor do Centro de Stanford em Nanoestruturação para Conversão de Energia Eficiente (CNEEC). "Esses protótipos serão testados para ver com que eficiência podemos alcançar a conversão de energia solar."

No experimento, os pesquisadores aplicaram três tipos de revestimentos - sulfeto de estanho, óxido de zinco e óxido de alumínio - em diferentes arranjos de nanopontos. "Nenhum desses revestimentos é absorvente de luz, "Hagglund disse." Mas foi mostrado teoricamente que se você aplicar um revestimento semicondutor, você pode mudar a absorção das partículas de metal para os materiais semicondutores. Isso criaria mais portadores de carga energética de longa duração que poderiam ser canalizados para algum processo útil, como fazer uma corrente elétrica ou sintetizar combustível. "

Objetivo final

O objetivo final, Dobrado adicionado, é desenvolver células solares e dispositivos de combustível solar aprimorados, limitando a absorção da luz solar à menor quantidade de material possível. "Isso fornece um benefício ao minimizar o material necessário para construir o dispositivo, claro, "disse ela." Mas a expectativa é que também permita maior eficiência, porque pelo design, os portadores de carga serão produzidos muito perto de onde são desejados - ou seja, perto de onde eles serão coletados para produzir uma corrente elétrica ou para conduzir uma reação química. "

Os cientistas também estão considerando arranjos de nanopontos feitos de metais menos caros. "Escolhemos ouro porque era quimicamente mais estável para nosso experimento, "Hagglund disse." Embora o custo do ouro fosse virtualmente insignificante, a prata é mais barata e melhor do ponto de vista óptico se você quiser fazer uma boa célula solar. Nosso dispositivo representa uma redução de ordens de magnitude na espessura. Isso sugere que podemos eventualmente reduzir bastante a espessura das células solares. "