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Descoberta possibilita a fabricação de painéis solares orgânicos mais eficientes

Pesquisadores da Universidade de Cambridge, na Inglaterra, identificaram um mecanismo que promete aumentar a eficiência energética das células solares orgânicas. Além disso, eles também descobriram uma forma de manipular as moléculas dentro dessas células, evitando a perda de corrente elétrica.

Células solares orgânicas são flexíveis, semitransparentes e muito mais baratas. A maleabilidade superior maior permite que elas sejam enroladas ao redor de prédios inteiros ou em projetos de iluminação interna, situações em que não é possível utilizar células fotovoltaicas comuns feitas de silício.

Os resultados obtidos em laboratório mostram que é possível tornar os painéis solares orgânicos tão competitivos quanto os equipamentos convencionais, fabricados com placas de silício, por um custo muito menor e com um processo de produção ambientalmente mais amigável.

“As células solares orgânicas podem fazer muitas coisas que as células solares inorgânicas não podem, mas seu desenvolvimento comercial estagnou nos últimos anos devido à sua baixa eficiência. Uma célula solar de silício pode atingir eficiências entre 20% e 25%. Já as orgânicas não passam de 19% em condições de laboratório e variam entre 10% a 12% no mundo real”, diz o engenheiro Alexander Gillett, autor principal do estudo.

Células orgânicas

Os painéis orgânicos geram eletricidade seguindo um princípio parecido com o encontrado no processo de fotossíntese das plantas. Em vez de converter o dióxido de carbono e a água em glicose para se alimentarem, eles usam a luz solar para produzir energia por meio da excitação dos fótons.

Esquema de absorção de luz das células orgânicas (Imagem: Reprodução/University of Cambridge)
Esquema de absorção de luz das células orgânicas (Imagem: Reprodução/University of Cambridge)

Elétrons excitados pela luz deixam um buraco na estrutura eletrônica do material, uma combinação conhecida como exciton. Quando a atração mútua entre o elétron carregado negativamente e o buraco carregado positivamente pode ser superada, é possível colher esses elétrons como uma corrente elétrica.

“O problema é que esses elétrons podem ser perdidos por meio de um processo chamado recombinação — em que os elétrons perdem sua energia ou estado de excitação”, explica Gillett. “Como há uma atração mais forte entre o elétron e o buraco nos materiais à base de carbono, as células orgânicas são mais propensas à recombinação, diminuindo sua eficiência. Isso requer o uso de dois componentes para impedir que o elétron e o buraco se recombinem rapidamente: um material doador e outro receptor de elétrons”.

Exciton tripleto

Usando modelagem de computador, os pesquisadores rastrearam os mecanismos de funcionamento das células solares orgânicas desde a absorção dos fótons até a recombinação. Eles perceberam que a diminuição da eficiência energética é causada por um tipo diferente de exciton, conhecido como exciton tripleto.

Representação do exciton tripleto (Imagem: Reprodução/University of Cambridge)
Representação do exciton tripleto (Imagem: Reprodução/University of Cambridge)

Por meio de fortes interações moleculares entre o doador e o receptor de elétrons, eles conseguiram manter o elétron e o buraco em regiões separadas, evitando o surgimento da recombinação nos excitons tripletos. Com essa abordagem, foi possível obter células solares orgânicas com eficiência superior a 20%, igualando os resultados observados em painéis fotovoltaicos fabricados com silício.

“O fato de podermos usar as interações entre os componentes de uma célula solar para desligar a via de perda de excitons tripleto foi realmente surpreendente. Isso abre caminho para a produção de painéis solares feitos à base de carbono mais eficientes e economicamente viáveis”, comemora Alexander Gillett.

Fonte: Canaltech

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