Novas células solares são mais flexíveis, baratas e absorventes

Cientistas dos EUA criam novo tipo de célula solar flexível que aumenta a absorção de luz solar e converte fótons em elétrons.

taniager

17 Fevereiro 2010 | 22h10

Este é um diagrama esquemático dos elementos que armazenam energia solar usados para otimizar a absorção de um cabo de fios de silício embebidos em polímero. (Crédito: Caltech/Michael Kelzenberg)

Este é um diagrama esquemático dos elementos que armazenam energia solar usados para otimizar a absorção de um cabo de fios de silício embebidos em polímero. (Crédito: Caltech/Michael Kelzenberg)

Uma equipe de cientistas do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), EUA, criou um novo tipo de célula solar flexível que aumenta a absorção de luz solar e converte eficientemente seus fótons em elétrons. A célula faz tudo isto com apenas uma pequena quantidade do material semicondutor caro utilizado em células solares convencionais. O estudo conduzido por Harry Atwater, professor de física aplicada e ciência dos materiais, e diretor do Caltech’s Resnick Institute, foi publicado na edição de 14 de fevereiro da revista Nature Materials

A nova célula solar foi produzida usando um cabo comprido e fios finos de silício agrupados em um substrato de polímero.  Ela ultrapassou, pela primeira vez, o limite de microestruturas óticas anteriormente desenvolvidas para armazenagem de luz convencional. 

O limite de absorção de luz de um material refere-se à quantidade de luz solar que um dado material é capaz de absorver. Um cabo de fios de silício absorve até 96% de luz solar incidente em um único comprimento de onda e 85% do total da luz solar coletável. 

Muitos materiais podem absorver luz muito bem, mas não têm capacidade de gerar eletricidade como, por exemplo, a tinta preta. Atwater acrescenta que o que há de mais importante em uma célula solar é saber que sua absorção leva à criação de condutores de carga.  

O cabo de fios de silício criado por Atwater e seus colegas é capaz de converter em elétrons entre 90 e 100% dos fótons que eles absorvem – em termos técnicos, os fios têm uma eficiência quântica interna quase perfeita. “Sua alta absorção associada a uma boa conversão faz a célula solar com alta qualidade”, diz Atwater. “É um avanço importante”. 

Prosseguindo, Atwater explica que a chave do sucesso destas células solares são seus fios de silício, cada um dos quais é por si só uma célula solar com qualidade e eficiência altas. Quando os fios são reunidos em um cabo, no entanto, são ainda mais eficientes, porque eles interagem para aumentar a capacidade de absorção de luz da célula. Normalmente, a luz que vem de cada fio tem uma parte absorvida e outra parte dissipada. As interações coletivas de dissipação entre os fios fazem com que o cabo absorva muito. 

“Quando nós primeiro consideramos células solares de cabo de fios de silício, assumimos que a luz solar seria desperdiçada no espaço entre os fios”, explica o estudante de pós-graduação Kelzenberg que acompanhou a pesquisa. Seguindo um plano inicial, os cientistas aumentaram a quantidade de fios para que eles ficassem o mais próximo possível um do outro. Mas quando começaram a quantificar a sua absorção, perceberam  que mais luz poderia ser absorvida do que o previsto por apenas uma fração dos fios agrupados. Ao desenvolver técnicas de captura de luz, em cabos com fios relativamente espaçados, eles conseguiram a absorção adequada e também demonstraram a concentração ótica eficaz – uma perspectiva interessante para realçar ainda mais a eficiência das células solares de cabos com fios de silício. “Cada fio mede entre 30 a 100 micrômetros de comprimento e apenas um mícron de diâmetro. O que importa é o comprimento do fio”, observa Atwater. “Mas em termos de área ou volume, apenas 2% é de silício, e 98% é de polímero.” 

As novas células solares de silício são de produção muito barata. Elas utilizam apenas um quinto de material semicondutor e, por serem películas finas muito flexíveis, podem ser fabricadas em um processo de bobina a bobina. Este processo tem menor custo de produção que aqueles usados para fazer células solares convencionais – em camadas.   

No momento, Atwater e seus colegas estão preocupados em aumentar a tensão de operação e o tamanho da célula solar, pois as células criadas por eles têm uns poucos centímetros quadrados de tamanho. “Agora estamos tentando fabricar células que terão centenas de centímetros quadrados – o tamanho de uma célula normal”, argumenta Atwater. Os cientistas envolvidos com esta pesquisa já estão a caminho de provar que as células com grande área funcionam tão bem quanto estas versões menores produzidas pela equipe.

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