Fotografias da conversão ascendente em uma cubeta contendo uma mistura de seleneto de cádmio / rubreno. A mancha amarela é a emissão da rubrene originada de (a) um laser de onda contínua sem foco de 800 nm com uma intensidade de 300 W / cm2. (b) um laser de onda contínua focalizado de 980 nm com uma intensidade de 2.000 W / cm2. As fotografias, tirada com um iPhone 5, não foram modificados de forma alguma. Crédito:Zhiyuan Huang, UC Riverside.
Quando se trata de instalação de células solares, o custo da mão de obra e o custo do terreno para abrigá-los constituem a maior parte das despesas. As células solares - geralmente feitas de silício ou telureto de cádmio - raramente custam mais de 20% do custo total. A energia solar poderia ser mais barata se menos terra tivesse que ser comprada para acomodar os painéis solares, melhor alcançado se cada célula solar pudesse ser induzida a gerar mais energia.
Um grande ganho nessa direção foi obtido por uma equipe de químicos da Universidade da Califórnia, Riverside, que encontrou uma maneira engenhosa de tornar a conversão de energia solar mais eficiente. Os pesquisadores relatam em Nano Letras que combinando nanocristais semicondutores inorgânicos com moléculas orgânicas, eles tiveram sucesso na "conversão ascendente" de fótons nas regiões visível e infravermelho próximo do espectro solar.
"A região infravermelha do espectro solar passa direto pelos materiais fotovoltaicos que constituem as células solares de hoje, "explicou Christopher Bardeen, um professor de química. A pesquisa foi um esforço colaborativo entre ele e Ming Lee Tang, um professor assistente de química. "Esta é a energia perdida, não importa quão boa seja sua célula solar. O material híbrido que criamos primeiro captura dois fótons infravermelhos que normalmente passam direto por uma célula solar sem serem convertidos em eletricidade, em seguida, adiciona suas energias para formar um fóton de alta energia. Este fóton convertido é prontamente absorvido por células fotovoltaicas, gerando eletricidade a partir da luz que normalmente seria desperdiçada. "
Bardeen acrescentou que esses materiais estão essencialmente "remodelando o espectro solar" para que corresponda melhor aos materiais fotovoltaicos usados hoje em células solares. A capacidade de utilizar a porção infravermelha do espectro solar pode aumentar a eficiência solar fotovoltaica em 30% ou mais.
Fotografias da conversão ascendente em uma cubeta contendo (a) um seleneto de cádmio otimizado / 9-ACA / DPA e (b) uma mistura de seleneto de cádmio / ODPA / DPA. (9-ACA:ácido 9-antracenocarboxílico; ODPA:ácido octadecilfosfônico; e DPA:9, 10-difenilantraceno.) Eles ficaram entusiasmados com um laser focalizado de onda contínua de 532 nm. A saída do DPA violeta em (a) inunda o feixe verde que é claramente visto em (b), onde nenhuma conversão ocorre. Isto indica o aumento da fluorescência convertida para cima pelo ligante 9-ACA. As fotos foram tiradas com um iPhone 5 e não foram modificadas de forma alguma. Crédito:Zhiyuan Huang, UC Riverside.
Em seus experimentos, Bardeen e Tang trabalharam com seleneto de cádmio e nanocristais semicondutores de seleneto de chumbo. Os compostos orgânicos que eles usaram para preparar os híbridos foram difenilantraceno e rubreno. Os nanocristais de seleneto de cádmio podem converter comprimentos de onda visíveis em fótons ultravioleta, enquanto os nanocristais de seleneto de chumbo podem converter fótons próximos ao infravermelho em fótons visíveis.
Em experimentos de laboratório, os pesquisadores direcionaram luz infravermelha de 980 nanômetros para o material híbrido, que então gerou luz fluorescente de 550 nanômetros laranja / amarela convertida, quase dobrando a energia dos fótons que chegam. Os pesquisadores foram capazes de impulsionar o processo de conversão ascendente em até três ordens de magnitude, revestindo os nanocristais de seleneto de cádmio com ligantes orgânicos, fornecendo um caminho para maiores eficiências.
"Esta luz de 550 nanômetros pode ser absorvida por qualquer material de célula solar, "Bardeen disse." A chave para esta pesquisa é o material composto híbrido - combinando nanopartículas semicondutoras inorgânicas com compostos orgânicos. Os compostos orgânicos não podem ser absorvidos no infravermelho, mas são bons em combinar dois fótons de baixa energia com um fóton de alta energia. Usando um material híbrido, o componente inorgânico absorve dois fótons e passa sua energia para o componente orgânico para combinação. Os compostos orgânicos então produzem um fóton de alta energia. Simplificando, os inorgânicos no material compósito absorvem a luz; os orgânicos são iluminados. "
Além da energia solar, a capacidade de converter dois fótons de baixa energia em um fóton de alta energia tem aplicações potenciais em imagens biológicas, armazenamento de dados e diodos emissores de luz orgânicos. Bardeen enfatizou que a pesquisa pode ter implicações de amplo alcance.
"A capacidade de mover a energia da luz de um comprimento de onda para outro, região mais útil, por exemplo, do vermelho para o azul, pode impactar qualquer tecnologia que envolva fótons como entradas ou saídas, " ele disse.
