Pesquisadores dos EUA desenvolvem novo material quântico que promete até 190% de eficiência quântica em células solares 13 DE ABRIL DE 2024
Pesquisadores dos EUA desenvolvem novo material quântico que promete até 190% de eficiência quântica em células solares
Pesquisadores da Lehigh University desenvolveram um material que promete aumentar drasticamente a eficiência dos painéis solares. Um protótipo usando este material como camada ativa em uma célula solar mostrou uma absorção fotovoltaica média de 80%, uma alta taxa de geração de portadores fotoexcitados e uma eficiência quântica externa (EQE) de até surpreendentes 190%. Este avanço excede em muito o limite teórico de eficiência de Shockley-Queisser para materiais à base de silício, levando a ciência de materiais quânticos para energia fotovoltaica a novos horizontes.
Um avanço significativo em energia sustentável
Chinedu Ekuma, professor de física em Lehigh, juntamente com o estudante de doutorado Srihari Kastuar, publicaram um artigo na revista Science Advances detalhando o desenvolvimento deste material.
Este trabalho representa um avanço na nossa compreensão e desenvolvimento de soluções energéticas sustentáveis, destacando abordagens inovadoras que poderão redefinir a eficiência e acessibilidade da energia solar num futuro próximo.
Chinedu Ekuma
Estados de banda intermediária: chave para a conversão solar
A notável eficiência deste material é amplamente atribuída aos seus “estados de banda intermediária”, níveis de energia específicos que estão idealmente posicionados dentro da estrutura eletrônica do material para conversão de energia solar. Esses estados têm níveis de energia dentro dos intervalos de banda subótimos, faixas de energia onde o material pode absorver eficientemente a luz solar e produzir portadores de carga, de aproximadamente 0,78 e 1,26 elétron-volts.
Além disso, o material funciona excepcionalmente bem com altos níveis de absorção nas regiões infravermelha e visível do espectro eletromagnético.
Excedendo o Máximo EQE Tradicional
Nas células solares tradicionais, o EQE máximo é 100%, o que representa a geração e coleta de um elétron para cada fóton absorvido da luz solar. No entanto, alguns materiais e configurações avançadas desenvolvidas nos últimos anos demonstraram a capacidade de gerar e coletar mais de um elétron a partir de fótons de alta energia, representando um EQE superior a 100%.
Embora estes materiais de geração multi-excitons (MEG) ainda não tenham sido amplamente comercializados, eles têm o potencial de aumentar significativamente a eficiência dos sistemas de energia solar. No material desenvolvido por Lehigh, os estados de banda intermediária permitem a captura da energia dos fótons que se perde nas células solares tradicionais, incluindo a energia perdida por reflexão e produção de calor.
Inovação na Criação de Materiais
Os pesquisadores desenvolveram o novo material aproveitando as “lacunas de van der Waals”, lacunas atomicamente pequenas entre materiais bidimensionais em camadas. Essas lacunas podem confinar moléculas ou íons, e os cientistas de materiais geralmente as usam para inserir ou “intercalar” outros elementos para ajustar as propriedades do material. Para desenvolver seu novo material, os pesquisadores de Lehigh inseriram átomos de cobre zerovalentes entre camadas de um material bidimensional feito de seleneto de germânio (GeSe) e sulfeto de estanho (SnS).
Ekuma, especialista em física computacional da matéria condensada, desenvolveu o protótipo como uma prova de conceito depois que a modelagem computacional do sistema mostrou-se promissora teórica.
Sua resposta rápida e maior eficiência indicam fortemente o potencial do GeSe/SnS intercalado com Cu como material quântico para uso em aplicações fotovoltaicas avançadas, oferecendo um caminho para melhorias na conversão de energia solar. É um candidato promissor para o desenvolvimento de células solares altamente eficientes de próxima geração que desempenharão um papel crucial na satisfação das necessidades energéticas globais.
Chinedu Ekuma
Embora a integração do material quântico recentemente concebido nos actuais sistemas de energia solar exija mais investigação e desenvolvimento, Ekuma observa que a técnica experimental utilizada para criar estes materiais já é altamente avançada. Com o tempo, os cientistas dominaram um método que insere com precisão átomos, íons e moléculas em materiais.
Através de www.eurekalert.org