Cientistas seguem a tentar elevar o rendimento das células solares - isto é, que fração da luz disponível acaba convertida em eletricidade - e uma abordagem recente para essa tecnologia levou a um resultado impressionante: um “rendimento quântico” de 130%.
O que significa um rendimento quântico de 130%
É essencial entender o que esse número quer dizer. Trata-se de um retorno energético em escala quântica, portanto não significa que um painel solar esteja a transformar luz em eletricidade a uma taxa de 130%. O avanço é, na verdade, um ganho de eficiência medido por quantas vezes um evento específico acontece por fóton absorvido pelo sistema.
Para ultrapassar a barreira dos 100%, a estratégia demonstrada divide a energia capturada de um único fóton de luz incidente em duas partes. Essa energia “duplicada” alimenta dois estados excitados - conhecidos como éxcitons - dentro do material que recebe a luz.
Fissão singleto: a divisão de energia que evita perdas por calor
Esse mecanismo chama-se fissão singleto e, como explica a equipe internacional responsável pelo estudo, ele ajuda a impedir que a energia excedente se perca na forma de calor.
Essa perda é um dos motivos pelos quais as células solares, em termos de eficiência global, costumam ficar limitadas a cerca de 33% - restrição conhecida como limite de Shockley-Queisser.
“Temos duas estratégias principais para romper esse limite”, diz o químico Yoichi Sasaki, da Universidade de Kyushu, no Japão.
“Uma é converter fótons infravermelhos de menor energia em fótons visíveis de maior energia. A outra, que exploramos aqui, é usar a fissão singleto para gerar dois éxcitons a partir de um único fóton de éxciton.”
Tetraceno e molibdênio: como o sistema capturou os éxcitons multiplicados
Para viabilizar a divisão, os pesquisadores recorreram a uma molécula orgânica chamada tetraceno, que funciona como material de “separação” no qual a fissão singleto pode ocorrer. As características do tetraceno tornam possível pegar um pacote de alta energia e convertê-lo em dois pacotes de menor energia por meio de excitação eletrônica.
Embora a fissão singleto não seja uma ideia totalmente nova, ela é apenas parte da explicação. Em tentativas anteriores, um obstáculo importante era garantir tempo suficiente para a fissão singleto acontecer antes que a energia se perdesse ou fosse transferida para outro lugar.
É aí que entra o elemento metálico molibdênio, novamente selecionado por propriedades específicas. Ao combiná-lo com o tetraceno, a equipe conseguiu “apanhar” os éxcitons divididos dentro de um composto de molibdênio.
No nível quântico mais básico, o molibdênio funciona como um emissor de inversão de spin. Primeiro, ele retém a energia e, depois, usa uma inversão quântica de spin para converter estados invisíveis em luz. Isso levou ao resultado-chave: 1.3 complexos metálicos à base de molibdênio excitados por fóton absorvido.
“A energia pode ser facilmente ‘roubada’ por um mecanismo chamado transferência de energia por ressonância de Förster (FRET) antes que a multiplicação ocorra”, afirma Sasaki.
“Por isso, precisávamos de um aceitador de energia que capturasse seletivamente os éxcitons tripletes multiplicados após a fissão.”
Próximos passos e limitações do teste em laboratório
Vale reforçar que estes ainda são testes iniciais de laboratório. O passo seguinte é transformar a solução líquida utilizada aqui numa forma sólida que possa ser integrada a um painel solar de modo confiável e eficaz - algo que os próprios autores reconhecem que será bastante desafiador.
Além disso, existe a questão de os complexos de molibdênio manterem a energia tempo suficiente para que ela seja útil, bem como o desafio de capturá-la desde o início. Esse “processo de decaimento” é outro ponto discutido pelo estudo.
Ainda assim, essas preocupações práticas futuras não diminuem o entusiasmo em torno do trabalho: ele delineia de forma clara um caminho para painéis solares capazes de superar os limites de eficiência atuais e mostra várias possibilidades para ajustar e testar essa prova de conceito a partir de agora.
Com a energia solar a desempenhar um papel vital na redução da dependência de combustíveis fósseis e na desaceleração das mudanças climáticas, a capacidade de elevar de maneira substancial as taxas de conversão dos painéis pode ser transformadora para o setor energético - sobretudo quando combinada com novos mecanismos de armazenamento de energia.
“Este trabalho representa um passo significativo rumo ao desenvolvimento de materiais de amplificação de éxciton/fóton ao combinar materiais de fissão singleto com complexos de metais de transição, avançando a aplicação da fissão singleto para além das limitações convencionais”, escrevem os pesquisadores no artigo.
A pesquisa foi publicada no Periódico da Sociedade Química Americana.
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