Rendimento quântico de 130 por cento em células solares com fissão singleto

A corrida à eficiência das células solares não pára: quanto mais luz do sol se consegue transformar em eletricidade, melhor. E uma nova abordagem acaba de alcançar um resultado invulgar - um “rendimento quântico” de 130 por cento.

Convém esclarecer o que isto significa. Não estamos a falar de um painel solar a produzir eletricidade a 130 por cento de eficiência. O que aumentou foi a eficiência, a nível quântico, na frequência com que um certo efeito acontece por cada fotão absorvido pelo sistema.

Para ultrapassar a barreira dos 100 por cento, esta técnica divide a energia captada de um único fotão de luz em duas partes, que depois alimentam dois estados excitados (os chamados excitões) no material recetor.

O processo chama-se fissão singleto e, como explica a equipa internacional responsável pelo estudo, ajuda a evitar que a energia em excesso se perca sob a forma de calor.

Essa perda é uma das razões pelas quais as células solares costumam ficar perto dos 33 por cento de eficiência global, uma limitação conhecida como o limite de Shockley-Queisser.

“Temos duas estratégias principais para ultrapassar este limite”, diz o químico Yoichi Sasaki, da Universidade de Kyushu, no Japão.

“Uma é converter fotões infravermelhos de baixa energia em fotões visíveis de energia mais alta. A outra, que exploramos aqui, é usar a fissão singleto para gerar dois excitões a partir de um único fotão.”

Neste trabalho, os investigadores recorreram a uma molécula orgânica chamada tetraceno para servir de material de “divisão”, permitindo que a fissão singleto ocorra. As suas propriedades tornam-na adequada para transformar um pacote de alta energia em dois pacotes de energia mais baixa através da excitação de eletrões.

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

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

Ao nível quântico mais pequeno, o molibdénio funciona como um emissor do tipo spin-flip. Primeiro, retém a energia e depois usa um flip quântico de spin para transformar estados invisíveis em luz. Foi assim que a equipa chegou ao resultado-chave: 1,3 complexos metálicos à base de molibdénio excitados por cada fotão absorvido.

“A energia pode ser facilmente ‘roubada’ por um mecanismo chamado transferência de energia por ressonância de Förster (FRET) antes de ocorrer a multiplicação”, diz Sasaki.

“Por isso, precisávamos de um aceitador de energia que capturasse seletivamente os excitões tripleto multiplicados após a fissão.”

Vale a pena sublinhar novamente 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 bastante desafiante.

Há também a questão de os complexos de molibdénio conseguirem manter 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 tiram mérito ao entusiasmo em torno do trabalho: ele traça claramente um caminho para painéis solares capazes de ir além dos limites de eficiência atuais, e existem várias formas de ajustar e testar este conceito de prova em trabalhos futuros.

Com a energia solar a ser essencial para reduzir a dependência de combustíveis fósseis e abrandar as alterações climáticas, conseguir melhorar substancialmente as taxas de conversão dos painéis poderia ser transformador para o setor energético - sobretudo quando combinado com novos mecanismos de armazenamento de energia.

“Este trabalho representa um passo significativo no desenvolvimento de materiais de amplificação de excitões/fotões ao combinar materiais de fissão singleto com complexos de metais de transição, avançando a aplicação da fissão singleto para lá das limitações convencionais”, escrevem os investigadores no artigo.

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