p Quando Mike Arnold pensa em energia solar, ele pensa grande, como nos "mais de cem milhões de bilhões de watts de luz solar em que a Terra se banha continuamente". Mas ele também pensa muito, muito pequeno, explorando como um nanomaterial à base de carbono com um bilionésimo de metro de espessura poderia reduzir drasticamente o preço da produção de eletricidade com células solares. p Arnold, professor associado do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da UW-Madison, lidera uma equipe de pesquisa que se concentra no estudo de materiais eletrônicos avançados para energia solar fotovoltaica (PV), armazenamento de energia, e eletrônica de semicondutores. O desenvolvimento de materiais que podem reduzir o custo da energia fotovoltaica é a paixão e o objetivo principal de sua equipe.

p "Estamos todos familiarizados com o lado positivo da energia solar, "Arnold explica." Sol abundante, sem emissões, sem partes móveis, sem barulho, e fácil transporte, mas isso deixa muitas pessoas se perguntando por que ainda temos usinas a carvão e não temos painéis solares em todos os telhados. E a resposta é definitivamente 'custo'. Embora os preços para a produção de energia solar tenham caído drasticamente nas últimas duas décadas, ainda não alcançamos o ponto em que a energia fotovoltaica pode competir economicamente. "

p A energia fotovoltaica é criada quando os fótons - ou pacotes de luz do sol - viajam quase 150 milhões de quilômetros até a Terra e atingem uma célula solar. Quando o material semicondutor em uma célula solar absorve a luz solar, uma carga elétrica é gerada. É então o trabalho da célula solar separar a carga de modo que seu componente positivo vá para um lado da célula solar e seu componente negativo vá para o outro, produzindo assim uma corrente elétrica. Essas células solares são agrupadas em módulos, e esses módulos são agrupados nos painéis que vemos nos telhados e nos campos solares.

p "A eficiência de 25% das células solares de silício é muito boa, "Diz Arnold." É o preço do silício como matéria-prima e o alto custo de processamento que tornam difícil reduzir o custo do PV. Precisamos de células que sejam igualmente eficientes, mas muito mais baratas de fabricar. "

p Alguns materiais fotovoltaicos alternativos de "segunda geração", como células solares de filme fino, estão sendo explorados pela indústria e até comercializados. Mas o preço da energia solar continua alto com essas tecnologias, e o foco da maioria das pesquisas de PV está agora nos chamados nanomateriais de "terceira geração", como aqueles estudados no laboratório de Arnold. "Nano" refere-se ao tamanho notavelmente pequeno desses materiais; um nanômetro é um bilionésimo de um metro.

p A abordagem de Arnold é começar com materiais muito baratos que, principalmente, poderiam ser transformados em células solares e, em seguida, conceber uma maneira de fazê-los funcionar. Atualmente, A equipe de Arnold se concentra em nanomateriais à base de carbono chamados de grafeno e nanotubos de carbono. Esses nanomateriais são sintetizados em laboratório usando um processo chamado deposição química de vapor, em que hidrocarbonetos (gases como metano (CH4) e etileno (C2H4)) são convertidos em carbono puro.

p Na produção de grafeno, os hidrocarbonetos reagem entre si em um substrato plano, onde liberam gás hidrogênio (H2) como subproduto e formam grafeno (C puro) no substrato. Desta maneira, grandes substratos podem ser revestidos com contínuo, folhas atomicamente finas de grafeno. Para produzir um nanotubo de carbono, as reações de hidrocarbonetos ocorrem na extremidade de uma nanopartícula esférica, em vez de um substrato plano, formando um cilindro.

p O resultado final são nanomateriais que não são compostos de moléculas, mas são construídos a partir de apenas uma única camada de átomos.

p "Esses materiais são tão finos quanto você pode imaginar ... você realmente não pode fazer nada mais fino, "Arnold explica, tornando mais fácil entender por que a comunidade científica às vezes se refere a esses materiais como "2D".

p "Quando chegamos a esta única camada de átomos de grafeno e nanotubos de carbono, "Arnold diz, "eles são alguns dos melhores condutores elétricos que já descobrimos e suas propriedades eletrônicas são muito mais fáceis de controlar. Eles são poderosos absorvedores de luz, relativamente estável, fácil de sintetizar, e barato, uma vez que o carbono é muito abundante. "

p A equipe de Arnold está explorando atualmente o uso de folhas de grafeno e nanotubos de carbono em células solares. Para um projeto, sua equipe está criando nanotubos de carbono com diferentes diâmetros que absorvem diferentes comprimentos de onda de luz; em uma célula solar, esta variedade de diâmetros pode ajudar a aumentar a absorção geral de luz.

p "Podemos potencialmente aproveitar o poder de muito mais luz variando o diâmetro do nanotubo, "Arnold explica, "todas as cores do arco-íris, bem como aquelas nos espectros que não podemos ver."

p Arnold está empenhado em explorar o potencial dos nanomateriais à base de carbono como uma forma de baixo custo de aproveitar o tremendo poder do sol, e transformando o campo da energia solar.

p "Estamos trabalhando muito para entender melhor suas propriedades e testá-las em células solares reais de muitas maneiras diferentes. Sentimos que nossa pesquisa atual está nos aproximando do dia em que realmente veremos painéis solares em todos os telhados."