(Phys.org) —Os pesquisadores mostraram como aumentar a eficiência das células solares de película fina, uma tecnologia que poderia trazer energia solar de baixo custo. A abordagem usa "cristais fotônicos" 3-D para absorver mais luz solar do que as células convencionais de filme fino.

Os cristais sintéticos possuem uma estrutura chamada "opala inversa" para fazer uso e aumentar as propriedades encontradas nas gemas para refletir, difratam e dobram a luz solar incidente.

"Usualmente, em células solares de silício de película fina, grande parte da luz solar volta imediatamente, mas usando nossa abordagem a luz entra e é difratada, fazendo com que ele se propague em um caminho paralelo dentro do filme, "disse Peter Bermel, professor assistente na Escola de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade de Purdue e no Centro de Nanotecnologia Birck.

Em comparação com as células solares feitas de bolachas de silício, o custo é reduzido 100 vezes para os filmes finos. Contudo, eles são menos eficientes.

"A questão é, podemos compensar essa menor eficiência introduzindo novas abordagens de captura de luz para células solares de filme fino? ​​", disse Bermel." Podemos combinar baixo custo e alto desempenho? "

Os pesquisadores são os primeiros a demonstrar a incorporação dos cristais fotônicos 3-D para aumentar a captura de luz nas células solares de silício cristalino. Resultados experimentais indicam um aumento de aproximadamente 10 por cento na eficiência em relação aos filmes finos de silício convencionais, com maior potencial de melhoria.

A tecnologia é melhor para absorver e capturar luz infravermelha próxima.

"Um dos principais motivos pelos quais as células solares de silício de película fina têm menor eficiência é que elas não absorvem a luz quase infravermelha de maneira muito eficaz, "Bermel disse." A luz na faixa do infravermelho próximo é importante porque há muita energia solar nessa faixa de comprimento de onda e também porque o silício pode converter a luz do infravermelho próximo em energia se puder absorvê-la, mas filmes finos não o absorvem totalmente. "

As descobertas foram detalhadas em um artigo de pesquisa publicado em outubro na revista científica revisada por pares Materiais Óticos Avançados .

O artigo é de autoria do estudante de doutorado Leo T. Varghese, quem se formou; professor pesquisador Yi Xuan; o estudante de doutorado Ben Niu; ex-aluno de doutorado Li Fan, quem também se formou; Bermel; e Minghao Qi, professor associado de engenharia elétrica e da computação.

Os pesquisadores criaram opalas inversas usando um processo chamado automontagem acionada pelo menisco.

"Você poderia fazê-los sob encomenda ou design personalizado, e decidimos torná-los para células solares, a fim de melhorar a absorção da luz, "Qi disse.

O silício tem sido por muitos anos o material dominante usado em células solares. Contudo, células solares feitas de pastilhas de silício monocristalino espessas são muito caras para serem práticas para aplicação generalizada. Essa limitação impulsionou a inovação recente em células solares de silício multicristalinas e de película fina.

"Nossa premissa é usar apenas 1 por cento da quantidade de material de uma pastilha de silício usando esses filmes finos de silício cristalino, "Qi disse.

Os pedidos de células solares de película fina incluem a geração de eletricidade para serviços públicos e residências, bem como aplicações de menor escala, como carregamento móvel de dispositivos eletrônicos.

Opalas naturais criam padrões de arco-íris causados ​​quando diferentes comprimentos de onda de luz são difratados em diferentes ângulos. As opalas são feitas de esferas de sílica sólida em uma matriz de algum outro material. As novas estruturas sintéticas são chamadas de opalas inversas porque consistem em esferas ocas de ar rodeadas por silício.

Os pesquisadores primeiro construíram uma estrutura de opala padrão. As esferas são colocadas em uma solução, que evapora, deixando a estrutura automontada.

"À medida que evapora, as esferas ficam empilhadas em cima do substrato bem no menisco, a interface entre o líquido e o ar, "Varghese disse.

Os fabricantes agora aumentam a absorção de luz gravando ou depositando texturas aleatórias nos filmes finos.

"Achamos que é melhor combinar a aleatoriedade da textura, bem como a estrutura ordenada, "Bermel disse." A textura ajuda bem com alguns comprimentos de onda e a estrutura ordenada ajudará com outros. "