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

Cientistas de todo o mundo continuam a esticar os limites da eficiência das células solares - ou seja, a fração da luz disponível que é convertida em eletricidade - e uma nova abordagem à tecnologia alcançou um impressionante “rendimento quântico” de 130 por cento.

Importa esclarecer desde já o que isto quer dizer: não estamos a falar de um painel solar a transformar a luz do Sol em eletricidade com 130 por cento de eficiência. O avanço acontece ao nível quântico e traduz-se num ganho de eficiência medido pela frequência com que um determinado evento ocorre por cada fotão absorvido pelo sistema.

O que representa um rendimento quântico de 130 por cento

Para ultrapassar a barreira dos 100 por cento, a estratégia passa por dividir a energia recolhida de um único fotão de luz incidente em duas parcelas, que depois alimentam dois estados excitados (os chamados excitões) no material recetor.

Este mecanismo é conhecido como fissão singleto e, como explica a equipa internacional responsável pelo trabalho, ajuda a impedir 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 total - uma restrição conhecida como 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 menor energia em fotões visíveis de maior energia. A outra, que exploramos aqui, é usar a fissão singleto para gerar dois excitões a partir de um único fotão excitónico.”

Como o tetraceno permite a fissão singleto e a duplicação de excitões

Para concretizar esta divisão, os investigadores recorreram a uma molécula orgânica chamada tetraceno, usada aqui como material de “separação” que permite que a fissão singleto ocorra. As características do tetraceno tornam-no adequado para repartir um pacote de alta energia em dois pacotes de energia mais baixa através da excitação eletrónica.

Ainda assim, a fissão singleto não é uma ideia totalmente nova - e, neste caso, é apenas metade da história. Um dos principais entraves em experiências anteriores tinha sido conseguir dar tempo suficiente ao processo de fissão singleto para ocorrer antes de a energia se perder ou ser transferida para outro local.

O papel do molibdénio, o bloqueio da energia e os próximos desafios

É aqui que entra o elemento metálico molibdénio, selecionado, mais uma vez, pelas suas propriedades específicas. Ao combiná-lo com o tetraceno, a equipa conseguiu “capturar” os excitões já divididos num composto de molibdénio.

À escala quântica mais pequena, o molibdénio funciona como um emissor por inversão de spin. Primeiro, retém a energia e, depois, utiliza uma inversão quântica de spin para converter estados invisíveis em luz. Foi isto que permitiu o resultado decisivo: 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”, afirma Sasaki.

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

Convém sublinhar novamente que estes resultados vêm de testes laboratoriais iniciais. O passo seguinte passa por transformar a solução líquida usada aqui numa forma sólida que possa ser integrada num painel solar de modo fiável e eficaz - algo que os próprios autores reconhecem ser um desafio considerável.

Além disso, existe a questão de os complexos de molibdénio conseguirem reter a energia tempo suficiente para que ela seja útil, bem como a conseguirem capturá-la logo à partida. Este “processo de decaimento” é outro dos aspetos abordados no estudo.

Apesar desses obstáculos práticos no horizonte, o entusiasmo em torno do trabalho mantém-se: os dados traçam claramente um caminho para painéis solares capazes de ir além dos limites de eficiência atuais, e há várias formas de ajustar e testar este conceito de prova em estudos futuros.

Sendo a energia solar uma peça essencial para reduzir a dependência de combustíveis fósseis e abrandar as alterações climáticas, conseguir melhorar de forma substancial as taxas de conversão em painéis solares poderá ter um impacto transformador na indústria energética - sobretudo quando combinado com novos mecanismos de armazenamento de energia.

“Este trabalho representa um passo significativo rumo ao 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 além das limitações convencionais”, escrevem os investigadores no artigo.

A investigação foi publicada na revista científica JACS.