p (Phys.org) —Para painéis solares, extrair cada gota de energia do maior número possível de fótons é imperativo. Este objetivo enviou química, pesquisadores de ciência de materiais e engenharia eletrônica em uma busca para aumentar a eficiência de absorção de energia de dispositivos fotovoltaicos, mas as técnicas existentes agora se chocam contra os limites estabelecidos pelas leis da física. p Agora, pesquisadores da Universidade da Pensilvânia e da Universidade Drexel demonstraram experimentalmente um novo paradigma para a construção de células solares que pode, em última instância, torná-las mais baratas, mais fácil de fabricar e mais eficiente na captação de energia do sol.

p O estudo foi conduzido pelo professor Andrew M. Rappe e o especialista em pesquisa Ilya Grinberg do Departamento de Química da Escola de Artes e Ciências da Penn, junto com o presidente Peter K. Davies do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas, e o professor Jonathan E. Spanier, do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Drexel.

p Foi publicado na revista Natureza .

p Todas as células solares existentes funcionam da mesma maneira fundamental:elas absorvem luz, que excita os elétrons e faz com que eles fluam em uma determinada direção. Este fluxo de elétrons é a corrente elétrica. Mas para estabelecer uma direção consistente de seu movimento, ou polaridade, as células solares precisam ser feitas de dois materiais. Uma vez que um elétron excitado atravessa a interface do material que absorve a luz para o material que conduzirá a corrente, não pode cruzar de volta, dando-lhe uma direção.

p "Há uma pequena categoria de materiais, Contudo, que quando você ilumina eles, o elétron decola em uma direção particular sem ter que cruzar de um material para outro, "Rappe disse." Chamamos isso de efeito fotovoltaico 'bulk', em vez do efeito de 'interface' que ocorre nas células solares existentes. Este fenômeno é conhecido desde a década de 1970, mas não fazemos células solares dessa forma porque elas só foram demonstradas com luz ultravioleta, e a maior parte da energia do sol está no espectro visível e infravermelho. "

p Encontrar um material que exiba o efeito fotovoltaico em massa para luz visível simplificaria muito a construção de células solares. Além disso, seria uma forma de contornar uma ineficiência intrínseca às células solares interfaciais, conhecido como limite de Shockley-Queisser, onde parte da energia dos fótons é perdida enquanto os elétrons esperam para saltar de um material para outro.

p "Pense nos fótons vindos do sol como moedas chovendo sobre você, com as diferentes frequências de luz sendo como moedas de um centavo, níqueis, moedas e assim por diante. Uma qualidade do seu material de absorção de luz, chamada de 'bandgap', determina as denominações que você pode pegar, “Rappe disse. Se você escolher um material com um bandgap que pode pegar moedas, você pode pegar moedas, quartos e dólares de prata, mas todos eles valerão apenas o equivalente em energia a 10 centavos quando você os pegar.

p "Se você definir seu limite muito alto, você pode obter mais valor por fóton, mas capturar menos fótons no geral e sair pior do que se escolhesse uma denominação inferior, "ele disse." Definir seu bandgap para captar apenas dólares de prata é como ser capaz de captar apenas a luz ultravioleta. Configurá-lo para capturar trimestres é como descer para o espectro visível. Seu rendimento é melhor, embora você esteja perdendo a maior parte da energia dos raios ultravioleta que obtém. "

p Como nenhum material conhecido exibiu o efeito fotovoltaico em massa para a luz visível, a equipe de pesquisa voltou-se para seus cientistas de materiais para conceber como um novo poderia ser moldado e suas propriedades medidas.

p Começando há mais de cinco anos, a equipe começou o trabalho teórico, traçar as propriedades de novos compostos hipotéticos que teriam uma mistura dessas características. Cada composto começava com um material "pai" que daria ao material final o aspecto polar do efeito fotovoltaico em massa. Para os pais, um material que diminuísse o bandgap do composto seria adicionado em diferentes porcentagens. Esses dois materiais seriam moídos em pós finos, misturados e depois aquecidos no forno até reagirem juntos. O cristal resultante teria idealmente a estrutura do pai, mas com elementos do segundo material em locais-chave, permitindo-lhe absorver a luz visível.

p "O desafio do design, "Davies disse, "era identificar materiais que pudessem reter suas propriedades polares enquanto absorviam simultaneamente a luz visível. Os cálculos teóricos apontavam para novas famílias de materiais onde essa combinação frequentemente mutuamente exclusiva de propriedades poderia de fato ser estabilizada."

p Essa estrutura é conhecida como cristal de perovskita. A maioria dos materiais que absorvem luz tem uma estrutura de cristal simétrica, o que significa que seus átomos estão dispostos em padrões repetidos, baixa, deixou, direito, frente e verso. Essa qualidade torna esses materiais não polares; todas as direções "parecem" iguais da perspectiva de um elétron, portanto, não há uma direção geral para que fluam.

p Um cristal de perovskita tem a mesma estrutura cúbica de átomos de metal, mas dentro de cada cubo há um octaedro de átomos de oxigênio, e dentro de cada octaedro há outro tipo de átomo de metal. A relação entre esses dois elementos metálicos pode fazer com que eles se movam para fora do centro, dando direcionalidade à estrutura e tornando-a polar.

p "Todos os bons pólos, ou ferroelétrico, materiais têm essa estrutura de cristal, "Rappe disse." Parece muito complicado, mas isso acontece o tempo todo na natureza quando você tem um material com dois metais e oxigênio. Não é algo que tivemos que arquitetar por nós mesmos. "

p Depois de várias tentativas fracassadas de produzir fisicamente os cristais de perovskita específicos que eles teorizaram, os pesquisadores tiveram sucesso com uma combinação de niobato de potássio, o pai, material polar, e niobato de bário e níquel, o que contribui para o bandgap do produto final.

p Os pesquisadores usaram cristalografia de raios-X e espectroscopia de espalhamento Raman para garantir que tivessem produzido a estrutura cristalina e a simetria que pretendiam. Eles também investigaram sua polaridade comutável e bandgap, mostrando que eles poderiam de fato produzir um efeito fotovoltaico em massa com luz visível, abrindo a possibilidade de quebrar o limite de Shockley-Queisser.

p Além disso, a capacidade de ajustar o bandgap do produto final por meio da porcentagem de niobato de bário e níquel adiciona outra vantagem potencial sobre as células solares interfaciais.

p "O bandgap dos pais está na faixa de UV, "Spanier disse, "mas adicionar apenas 10 por cento do niobato de bário e níquel move o bandgap para a faixa visível e perto do valor desejado para conversão eficiente de energia solar. Portanto, este é um material viável para começar, e o bandgap também passa a variar através da faixa visível à medida que adicionamos mais, que é outra característica muito útil. "

p Outra maneira de contornar a ineficiência imposta pelo limite de Shockley-Queisser em células solares interfaciais é empilhar efetivamente várias células solares com diferentes bandgaps umas sobre as outras. Essas células solares de multi-junção têm uma camada superior com um alto bandgap, que captura os fótons mais valiosos e permite que os menos valiosos passem. Camadas sucessivas têm bandgaps inferior e inferior, obtendo o máximo de energia de cada fóton, mas aumentando a complexidade geral e o custo da célula solar.

p "A família de materiais que fizemos com o efeito fotovoltaico em massa atravessa todo o espectro solar, "Rappe disse." Então, poderíamos cultivar um material, mas mudando suavemente a composição conforme estamos crescendo, resultando em um único material que funciona como uma célula solar com múltiplas junções. "

p "Esta família de materiais." Spanier disse, "é ainda mais notável porque é composto de produtos baratos, elementos não tóxicos e abundantes em terra, ao contrário dos materiais semicondutores compostos atualmente usados ​​na tecnologia eficiente de células solares de película fina. "