Células solares com fissão singleto: rendimento quântico de 130 por cento

A corrida para tornar as células solares mais eficientes continua: a meta é simples de explicar - converter o máximo possível da luz do Sol em eletricidade - mas difícil de atingir. Agora, uma nova abordagem conseguiu um impressionante “rendimento quântico” de 130 por cento.

Convém esclarecer o que isto significa: não estamos a falar de um painel solar a produzir 130 por cento de eletricidade a partir da luz que recebe. O resultado é ao nível quântico e mede, na prática, com que frequência um certo acontecimento ocorre por cada fotão absorvido pelo sistema - e, nesse parâmetro, há um ganho claro.

Para ultrapassar a barreira dos 100 por cento, a nova abordagem divide a energia obtida de um único fotão de luz incidente em dois, o que alimenta dois estados excitados (conhecidos como excitões) no material recetor.

É um processo chamado fissão singleto e, como explica a equipa internacional responsável pelo estudo, ajuda a evitar que o excesso de energia se perca sob a forma de calor.

Essa perda é uma das razões pelas quais as células solares costumam ficar limitadas a cerca de 33 por cento de eficiência global, uma restrição conhecida como limite de Shockley–Queisser.

"We have two main strategies to break through this limit," says chemist Yoichi Sasaki, from Kyushu University in Japan.

"One is to convert lower-energy infrared photons into higher-energy visible photons. The other, what we explore here, is to use singlet fission to generate two excitons from a single exciton photon."

Os investigadores usaram uma molécula orgânica chamada tetraceno para atuar como material de divisão, permitindo que a fissão singleto aconteça. As suas características tornam-no adequado para separar um pacote de alta energia em dois pacotes de menor energia através de excitação eletrónica.

Apesar de a fissão singleto não ser um conceito totalmente novo, este é apenas metade da história. Um grande obstáculo em experiências anteriores era dar tempo suficiente para a fissão singleto ocorrer antes de a energia se perder ou ser transferida para outro lado.

É aqui que entra o elemento metálico molibdénio, novamente escolhido pelas suas propriedades específicas. Ao misturá-lo com o tetraceno, a equipa conseguiu capturar os excitões divididos no composto de molibdénio.

No nível quântico mais pequeno, o molibdénio funciona como um chamado emissor de inversão de spin. Primeiro, “prende” a energia e depois usa uma inversão de spin quântica para transformar estados invisíveis em luz. Foi isto que deu o resultado decisivo: 1,3 complexos metálicos à base de molibdénio excitados por cada fotão absorvido.

"The energy can be easily 'stolen' by a mechanism called Förster resonance energy transfer (FRET) before multiplication occurs," says Sasaki.

"We therefore needed an energy acceptor that selectively captures the multiplied triplet excitons after fission."

Vale a pena sublinhar, mais uma vez, que estes são testes iniciais em laboratório. Os próximos passos passam por converter a solução líquida usada aqui numa forma sólida que possa ser integrada num painel solar, de forma fiável e eficaz - algo que os próprios investigadores admitem ser um grande desafio.

Há ainda a questão de os complexos de molibdénio conseguirem reter a energia tempo suficiente para que ela seja útil, além de a captarem logo à partida. Este “processo de decaimento” é outro ponto abordado no estudo.

Ainda assim, essas preocupações práticas futuras não devem tirar brilho ao entusiasmo em torno desta investigação: o trabalho traça claramente um caminho para painéis solares capazes de superar os limites de eficiência atuais, e há várias formas de ajustar e testar este prova de conceito daqui para a frente.

Com a energia solar a ser uma peça-chave para reduzir a dependência de combustíveis fósseis e travar as alterações climáticas, conseguir aumentar de forma substancial as taxas de conversão dos painéis solares pode ser transformador para a indústria energética - sobretudo quando combinado com novos mecanismos de armazenamento de energia.

"This work represents a significant step toward developing exciton/photon amplification materials by combining singlet fission materials with transition-metal complexes, advancing the application of singlet fission beyond conventional limitations," write the researchers in their paper.

The research has been published in the Journal of the American Chemical Society.