Os pesquisadores da ETH desenvolveram um modelo abrangente para explicar como os elétrons fluem dentro de novos tipos de células solares feitas de minúsculos cristais. O modelo permite um melhor entendimento dessas células e pode ajudar a aumentar sua eficiência.

Os cientistas estão se concentrando em cristais de tamanho nanométrico para a próxima geração de células solares. Esses nanocristais têm excelentes propriedades ópticas. Comparado com o silício nas células solares de hoje, os nanocristais podem ser projetados para absorver uma fração maior do espectro de luz solar. Contudo, o desenvolvimento de células solares baseadas em nanocristais é um desafio:"Essas células solares contêm camadas de muitos cristais individuais de tamanho nano, unidos por uma cola molecular. Dentro deste composto nanocristal, os elétrons não fluem tão bem quanto o necessário para aplicações comerciais, "explica Vanessa Wood, Professor de Engenharia de Materiais e Dispositivos na ETH Zurich. Até agora, a física do transporte de elétrons neste sistema de material complexo não foi entendida, então foi impossível projetar sistematicamente melhores compostos nanocristais.

Wood e seus colegas realizaram um amplo estudo de células solares nanocristais, que eles fabricaram e caracterizaram em seus laboratórios na ETH Zurique. Eles foram capazes de descrever o transporte de elétrons nesses tipos de células por meio de um modelo físico geralmente aplicável pela primeira vez. "Nosso modelo é capaz de explicar o impacto da mudança do tamanho dos nanocristais, material nanocristal, ou moléculas ligantes no transporte de elétrons, "diz Wood. O modelo dará aos cientistas no campo da pesquisa uma melhor compreensão dos processos físicos dentro das células solares nanocristais e permitirá que eles melhorem a eficiência das células solares.

Perspectiva promissora graças aos efeitos quânticos

A razão do entusiasmo de muitos pesquisadores de células solares pelos minúsculos cristais é que, em pequenas dimensões, os efeitos da física quântica entram em ação, o que não é observado em semicondutores a granel. Um exemplo é que as propriedades físicas dos nanocristais dependem de seu tamanho. E porque os cientistas podem controlar facilmente o tamanho dos nanocristais no processo de fabricação, eles também são capazes de influenciar as propriedades de semicondutores nanocristais e otimizá-los para células solares.

Uma dessas propriedades que pode ser influenciada pela alteração do tamanho dos nanocristais é a quantidade de espectro do sol que pode ser absorvida pelos nanocristais e convertida em eletricidade pela célula solar. Os semicondutores não absorvem todo o espectro da luz solar, mas sim apenas radiação abaixo de um certo comprimento de onda, ou - em outras palavras - com uma energia maior do que a chamada energia de gap do semicondutor. Na maioria dos semicondutores, este limite só pode ser alterado alterando o material. Contudo, para compósitos nanocristais, o limite pode ser alterado simplesmente alterando o tamanho dos cristais individuais. Assim, os cientistas podem selecionar o tamanho dos nanocristais de forma que eles absorvam a quantidade máxima de luz de uma ampla faixa do espectro solar.

Uma vantagem adicional dos semicondutores nanocristais é que eles absorvem muito mais luz solar do que os semicondutores tradicionais. Por exemplo, o coeficiente de absorção de nanocristais de sulfeto de chumbo, usado pelos pesquisadores ETH em seu trabalho experimental, é várias ordens de magnitude maior do que os semicondutores de silício, usado tradicionalmente como células solares. Assim, uma quantidade relativamente pequena de material é suficiente para a produção de células solares nanocristais, tornando possível fazer muito fino, células solares flexíveis.

Necessidade de maior eficiência

O novo modelo proposto pelos pesquisadores da ETH responde a uma série de questões não resolvidas anteriormente relacionadas ao transporte de elétrons em compósitos nanocristais. Por exemplo, até agora, nenhuma evidência experimental existia para provar que a energia do intervalo de banda de um composto nanocristal depende diretamente da energia do intervalo de banda dos nanocristais individuais. "Pela primeira vez, mostramos experimentalmente que este é o caso, "diz Wood.

Nos últimos cinco anos, os cientistas conseguiram aumentar muito a eficiência das células solares nanocristais, no entanto, mesmo na melhor dessas células solares, apenas 9% da luz solar incidente na célula é convertida em energia elétrica. "Para começarmos a considerar as aplicações comerciais, precisamos alcançar uma eficiência de pelo menos 15 por cento, "explica Wood. O trabalho de seu grupo aproxima os pesquisadores de melhorar o transporte de elétrons e a eficiência das células solares.