À medida que a demanda por energia solar aumenta em todo o mundo, os cientistas estão trabalhando para melhorar o desempenho dos dispositivos solares – importante se a tecnologia for competir com os combustíveis tradicionais. Mas os pesquisadores enfrentam limites teóricos sobre a eficiência com que podem fabricar células solares.
Um método para aumentar a eficiência além desses limites envolve a adição de nanopartículas de conversão aos materiais usados ​​nos dispositivos solares. Os materiais de conversão ascendente permitem que as células solares coletem energia de um espectro de luz mais amplo do que o normalmente possível. Uma equipe de cientistas testando essa abordagem descobriu que as nanopartículas aumentaram a eficiência, mas não pelo motivo que esperavam. Sua pesquisa pode sugerir um novo caminho para o desenvolvimento de dispositivos solares mais eficientes.

"Alguns pesquisadores na literatura levantaram hipóteses e mostraram resultados de que nanopartículas de conversão ascendente aumentam o desempenho", disse Shashank Priya, vice-presidente associado de pesquisa e professor de ciência e engenharia de materiais da Penn State. “Mas esta pesquisa mostra que não importa se você colocar nanopartículas de conversão ascendente ou quaisquer outras nanopartículas – elas mostrarão a eficiência aprimorada por causa da dispersão de luz aprimorada”.

Adicionar nanopartículas é como adicionar milhões de pequenos espelhos dentro de uma célula solar, disseram os cientistas. A luz que viaja através do dispositivo atinge as nanopartículas e se espalha, potencialmente atingindo outras nanopartículas e refletindo muitas vezes dentro do dispositivo, proporcionando um notável aprimoramento de fotocorrente.

Os cientistas disseram que esse processo de dispersão de luz e não a conversão levou a uma maior eficiência nos dispositivos solares que eles criaram.

“Não importa quais nanopartículas você coloque, desde que elas sejam nanodimensionadas com propriedades de dispersão específicas, isso sempre leva a um aumento na eficiência de alguns pontos percentuais”, disse Kai Wang, professor assistente de pesquisa do Departamento de Ciência dos Materiais e Engenharia e coautor do estudo. “Acho que nossa pesquisa fornece uma boa explicação sobre por que esse tipo de estrutura composta de absorção de luz é interessante para a comunidade solar”.

As nanopartículas de conversão ascendente funcionam absorvendo luz infravermelha e emitindo luz visível que a célula solar pode absorver e converter em energia adicional. Quase metade da energia do sol chega à Terra como luz infravermelha, mas a maioria das células solares não consegue colhê-la. Os cientistas propuseram que explorar isso poderia levar a eficiência das células solares além de seu teto teórico, o limite de Shockley-Queisser (SQ), que é de cerca de 30% para células solares de junção única alimentadas pela luz solar.

Estudos anteriores mostraram um aumento de 1% a 2% na eficiência usando nanopartículas de conversão ascendente. Mas a equipe descobriu que esses materiais forneceram apenas um pequeno impulso nos dispositivos solares de perovskita que eles criaram, disseram os cientistas.

"Focamos inicialmente na conversão ascendente da luz infravermelha para o espectro visível para absorção e conversão de energia pela perovskita, mas os dados de nossos colegas da Penn State indicaram que este não era um processo significativo", disse Jim Piper, coautor e professor emérito. na Universidade Macquarie, Austrália. "Subseqüentemente, fornecemos nanocristais não dopados que não fornecem conversão ótica e foram igualmente eficazes no aumento da eficiência da conversão de energia".

A equipe realizou cálculos teóricos e descobriu que o aumento na eficiência resultou da capacidade das nanopartículas de melhorar a dispersão da luz.

“Começamos basicamente a brincar com a distribuição de nanopartículas no modelo e começamos a ver que, à medida que você distribui as partículas longe umas das outras, começa a ver uma dispersão aprimorada”, disse Thomas Brown, professor associado da Universidade de Roma. "Então tivemos esse avanço."

A adição das nanopartículas aumentou a eficiência das células solares de perovskita em 1% no estudo, relataram os cientistas na revista ACS Energy Letters . Os cientistas disseram que mudar a forma, o tamanho e a distribuição das nanopartículas dentro desses dispositivos pode resultar em maior eficiência.

"Portanto, alguma forma, distribuição ou tamanho ideal pode realmente levar a um encantamento ainda maior de fotocorrente", disse Priya. "Essa pode ser a direção da pesquisa futura com base nas ideias dessa pesquisa". + Explorar mais

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