Muitas vezes se disse que as células solares são como versões artificiais dos aparelhos fotossintéticos encontrados nas plantas, como folhas, já que ambos colhem a luz solar. Mas as folhas da natureza podem fazer algo que a maioria das células solares não pode fazer:proteger-se contra os danos fotoquímicos da superexposição à luz solar.

Em uma tentativa de proteger os dispositivos artificiais de colheita de luz dos danos do sol, químicos desenvolveram uma matriz em escala molecular em forma de funil que coleta fótons, espalha a energia ao redor da matriz, e descarrega a energia em uma taxa relativamente lenta para uma célula solar ou outro dispositivo. Ao regular a quantidade de energia que entra na célula solar, a nova matriz pode estender a vida útil da célula solar, que deve funcionar em condições adversas associadas à exposição prolongada à luz solar.

Os pesquisadores, Raymond Ziessel, Gilles Ulrich, e Alexandre Haefele da Universidade de Estrasburgo, na França, junto com Anthony Harriman na Newcastle University no Reino Unido, publicaram seu artigo sobre sua matriz de coleta de luz artificial em uma edição recente da Jornal da American Chemical Society .

"A luz ultravioleta é prejudicial às células e à estrutura de suporte, "Harriman disse Phys.org . "Os fótons são perdidos por meio da aniquilação, e o desempenho ideal requer um fluxo constante de fótons. Isso é ainda mais importante para dispositivos de divisão de água, que é onde vemos nosso coletor de luz tendo aplicações reais. "

A nova matriz consiste em 21 corantes Bodipy ("boro-dipirrometeno"), que são corantes altamente fluorescentes conhecidos por sua boa absorção e emissão de luz. Os corantes Bodipy são dispostos em um design semelhante a um funil que converge para um ponto focal. Quando exposto à luz, a matriz guia a energia de excitação dos fótons incidentes através do funil por meio de uma série de etapas de transferência de energia em cascata até que a energia alcance o ponto focal.

A característica mais importante do design é sua capacidade de autorregular sua energia. Quando o ponto focal está em um estado animado, a transferência de energia adicional para o ponto focal é restrita. Para aumentar a quantidade de energia que atinge o ponto focal, a topologia da matriz fornece diversas rotas de viagem para a energia para garantir diferentes tempos de chegada. A estratégia envolve redistribuir o excesso de energia dentro da matriz até que o ponto focal não esteja mais "saturado".

Este mecanismo de proteção contra a superexposição à luz solar não se baseia estritamente nos mecanismos usados ​​pelas plantas. Na natureza, vários mecanismos diferentes evoluíram para esse fim, embora os detalhes desses mecanismos ainda estejam sob debate ativo.

Embora as propriedades da nova matriz sejam intrigantes, os cientistas acrescentam que a síntese real também é de última geração. O uso de corantes Bodipy como blocos de construção permite certeza sobre a estrutura emergente, ao contrário de usar outras moléculas, como dendrímeros, onde é difícil assegurar o crescimento completo com cada camada.

No futuro, o funil em escala molecular poderia proteger as células solares funcionando como um sensibilizador; isso é, transferir energia de forma controlada para as células solares ou outros dispositivos externos. A matriz também oferece um benefício de estabilidade em comparação com o uso de uma mistura de compostos. E embora a matriz restrinja a transferência de energia, não diminui a eficiência da célula solar.

"Atualmente, a eficiência limitante é o acoplamento dos dois sistemas, "Harriman disse." Em princípio, não deve haver diminuição na eficiência. A verdadeira vantagem virá do uso de um coletor de grande área e uma célula solar de pequena área. "

No futuro, os pesquisadores planejam melhorar a transferência de fótons da matriz para a célula solar.

"Estamos tentando construir sistemas onde os fótons se movam facilmente de cluster em cluster antes de serem capturados pela célula solar, "Harriman disse." Além disso, estamos procurando maneiras de empurrar os fótons em direção à célula solar, em vez de depender de migrações aleatórias. Esse tipo de coerência quântica pode ser importante em certos casos na natureza, mas está muito além da capacidade atual dos sistemas artificiais. Temos ideias de como melhorar e prevemos um rápido progresso neste campo. ”

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