Nova técnica de fissão singleto com tetraceno e molibdênio atinge rendimento quântico de 130% em células solares

Melhorar a eficiência de células solares não é só uma questão de “pegar mais Sol”, mas de aproveitar melhor cada fóton que chega ao material. Agora, uma nova abordagem conseguiu um impressionante rendimento quântico de 130%, mostrando que dá para extrair mais “eventos úteis” por unidade de luz absorvida.

Vale deixar claro: isso não significa um painel solar gerando 130% de eletricidade a partir da luz. O resultado é em nível quântico - uma medida de quantas vezes um determinado processo acontece para cada fóton absorvido - e, nesse sentido, a técnica representa um avanço importante.

Para ultrapassar a barreira dos 100%, o método divide a energia capturada de um único fóton de luz em duas partes, que então alimentam dois estados excitados (chamados éxcitons) no material receptor.

Esse mecanismo é conhecido como fissão singleto e, como explica a equipe internacional por trás do estudo, ele evita que a energia excedente se perca na forma de calor.

Essa perda é uma das razões pelas quais células solares costumam ficar perto de 33% de eficiência total, um limite chamado de limite de Shockley-Queisser.

"Temos duas estratégias principais para quebrar 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."

Os pesquisadores usaram uma molécula orgânica chamada tetraceno como o material responsável pela divisão, onde a fissão singleto pode ocorrer. Suas características o tornam adequado para transformar um pacote de alta energia em dois de energia mais baixa por meio da excitação de elétrons.

A fissão singleto não é um conceito totalmente novo, porém isso é apenas metade da história. Um grande obstáculo em experimentos anteriores era dar tempo suficiente para a fissão acontecer antes que a energia fosse perdida ou transferida para outro lugar.

É aí que entra o elemento metálico molibdênio, escolhido novamente por propriedades específicas. Ao misturá-lo com o tetraceno, o grupo conseguiu “capturar” os éxcitons divididos no composto de molibdênio.

No nível quântico mais básico, o molibdênio funciona como um chamado emissor de inversão de spin (spin-flip). 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", diz Sasaki.

"Por isso, precisávamos de um aceitador de energia que capturasse seletivamente os éxcitons tripletos multiplicados após a fissão."

Vale reforçar que estes ainda são testes iniciais de laboratório. Os próximos passos incluem transformar a solução líquida usada aqui em uma forma sólida que possa ser acoplada a um painel solar de maneira confiável e eficiente - algo que os próprios pesquisadores reconhecem que será um desafio considerável.

Também existe a questão de os complexos de molibdênio manterem a energia por tempo suficiente para que ela seja útil, além de consegui-la captar em primeiro lugar. Esse “processo de decaimento” é outro ponto abordado no estudo.

Mesmo assim, essas preocupações práticas futuras não diminuem o entusiasmo em torno do trabalho: ele descreve com clareza um caminho para painéis solares capazes de ir além dos limites de eficiência atuais, e há várias formas de ajustar e testar essa prova de conceito daqui para frente.

Com a energia solar sendo peça-chave para reduzir a dependência de combustíveis fósseis e desacelerar as mudanças climáticas, aumentar de forma substancial as taxas de conversão em painéis poderia ser transformador para o setor de energia - especialmente em combinação com novos mecanismos de armazenamento.

"Este trabalho representa um passo significativo rumo ao desenvolvimento de materiais de amplificação de éxcitons/fótons ao combinar materiais de fissão singleto com complexos de metais de transição, avançando a aplicação da fissão singleto além das limitações convencionais", escrevem os pesquisadores no artigo.

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