Nova descoberta em células solares alcança rendimento quântico de 130%.

Cientistas continuam a esticar os limites da eficiência das células solares - isto é, a percentagem de luz solar disponível que se transforma em eletricidade - e uma abordagem recente à tecnologia atingiu um valor impressionante de 130 percent de rendimento quântico.

Convém esclarecer desde já o que isto significa: trata-se de um retorno energético ao nível quântico, pelo que não estamos a falar de um painel solar a converter a luz do Sol em eletricidade a uma taxa de 130 percent. O avanço refere-se, em vez disso, a um aumento de eficiência medido pela frequência com que um determinado evento acontece por cada fotão absorvido pelo sistema.

Como ultrapassar a barreira dos 100 percent com fissão de singlete

Para passar a fasquia dos 100 percent, o método descrito reparte a energia captada de um único fotão de luz incidente em duas porções, que depois alimentam dois estados excitados (conhecidos como éxcitões) no material recetor.

Este mecanismo chama-se fissão de singlete e, como explica a equipa internacional responsável pelo trabalho, ajuda a evitar que a energia excedente se dissipe sob a forma de calor.

Essa perda energética é uma das razões pelas quais as células solares costumam atingir um teto próximo dos 33 percent em termos de eficiência global - uma limitação conhecida como limite de Shockley–Queisser.

“Temos duas estratégias principais para ultrapassar este limite”, afirma o químico Yoichi Sasaki, da Universidade de Kyushu, no Japão.

“Uma é converter fotões infravermelhos de menor energia em fotões visíveis de maior energia. A outra, que exploramos aqui, é usar a fissão de singlete para gerar dois éxcitões a partir de um único fotão que cria um éxcitão.”

Tetraceno: a molécula orgânica que faz a divisão de energia

No trabalho, os investigadores recorreram a uma molécula orgânica chamada tetraceno como material responsável pela divisão, permitindo que a fissão de singlete ocorra. As características do tetraceno tornam-no adequado para separar um pacote de alta energia em dois pacotes de energia mais baixa através da excitação de eletrões.

Ainda assim, a fissão de singlete não é uma ideia inteiramente nova - e, neste caso, é apenas metade da solução. Um grande obstáculo em experiências anteriores foi dar tempo suficiente para a fissão de singlete acontecer antes de a energia se perder ou ser transferida para outro local.

Molibdénio: capturar os éxcitões divididos e obter o rendimento quântico

É aqui que entra o elemento metálico molibdénio, novamente escolhido pelas suas propriedades específicas. Ao combiná-lo com o tetraceno, a equipa conseguiu “apanhar” os éxcitões resultantes da divisão num composto de molibdénio.

À escala quântica mais pequena, o molibdénio funciona como um emissor de inversão de spin (spin-flip). Primeiro, fixa a energia; depois, recorre a uma inversão quântica de spin para transformar estados invisíveis em luz. Foi este passo que permitiu chegar ao resultado-chave: 1.3 complexos metálicos à base de molibdénio excitados por cada fotão absorvido.

“A energia pode ser facilmente ‘roubada’ por um mecanismo chamado transferência de energia por ressonância de Förster (FRET) antes de ocorrer a multiplicação”, diz Sasaki.

“Por isso, precisámos de um aceitador de energia que capturasse seletivamente os éxcitões tripletos multiplicados após a fissão.”

Limitações atuais e próximos desafios de engenharia

Importa sublinhar novamente que estes resultados ainda vêm de testes iniciais em laboratório. Os passos seguintes passam por converter a solução líquida utilizada aqui numa forma sólida que possa ser integrada num painel solar de forma fiável e eficaz - algo que os próprios autores reconhecem ser bastante difícil.

Há ainda a questão de os complexos de molibdénio conseguirem reter a energia tempo suficiente para que ela seja útil, além do desafio de a capturar logo à partida. Este “processo de decaimento” é outro ponto abordado no estudo.

O que este avanço pode significar para a eficiência de células solares

Apesar dessas preocupações práticas futuras, o entusiasmo em torno do trabalho mantém-se: o estudo delineia claramente um caminho para painéis solares capazes de superar os limites de eficiência atuais, e existem várias formas de ajustar e explorar esta prova de conceito daqui para a frente.

Com a energia solar a ser uma peça essencial para reduzir a dependência de combustíveis fósseis e abrandar as alterações climáticas, aumentar de forma substancial as taxas de conversão dos painéis solares poderia ter um efeito transformador no setor energético - sobretudo quando combinado com novos mecanismos de armazenamento de energia.

“Este trabalho representa um passo significativo rumo ao desenvolvimento de materiais de amplificação de éxcitões/fotões, ao combinar materiais de fissão de singlete com complexos de metais de transição, avançando a aplicação da fissão de singlete para além das limitações convencionais”, escrevem os investigadores no artigo.

A investigação foi publicada no Journal of the American Chemical Society.