Uma equipe de pesquisadores da Universidade do Kansas estudou um efeito contraintuitivo em semicondutores orgânicos que pode levar a eficiências de células solares competitivas com os painéis solares de silício tradicionais. A pesquisa foi publicada na Advanced Materials.
Pesquisadores de todo o mundo estão testando ativamente materiais alternativos ao silício para a fabricação de células solares. Embora o silício ofereça grande eficiência e durabilidade, existem outros materiais mais abundantes que poderiam servir como alternativas de baixo custo. O silício também é rígido, enquanto alguns materiais fotovoltaicos demonstraram capacidade de serem depositados de forma flexível em superfícies irregulares em camadas finas.
Um tipo de material que os pesquisadores estão desenvolvendo são os chamados semicondutores “orgânicos”. Esses semicondutores à base de carbono são abundantes na Terra, baratos e potencialmente mais ecológicos.
“Eles podem reduzir potencialmente o custo de produção de painéis solares porque esses materiais podem ser revestidos em superfícies arbitrárias usando métodos baseados em soluções – assim como pintamos uma parede”, disse Wai-Lun Chan, professor associado de física e astronomia na Universidade do Kansas.
Chan disse que esses materiais orgânicos podem ser ajustados para absorver luz em comprimentos de onda específicos. Os materiais podem ser usados para criar painéis solares transparentes ou painéis com cores específicas, tornando-os uma opção útil para integração com edifícios sustentáveis.
Semicondutores orgânicos já são usados hoje em painéis de eletrônicos de consumo, como telefones celulares e TVs. Eles ainda não são comerciais em energia fotovoltaica, pois sua eficiência de conversão de luz em eletricidade fica em torno de 12%, cerca de metade da potência dos painéis solares de silício tradicionais.
No entanto, o uso de uma nova classe de materiais chamados aceitadores de não-fulereno (NFA, na sigla em inglês para “non-fullerene acceptors”) pode ajudar a preencher a lacuna na eficiência. Células solares orgânicas feitas com NFAs demonstraram eficiências próximas de 20%.
O aumento significativo no desempenho dos NFAs ocorreu a partir de um efeito contraintuitivo. A equipe descobriu que alguns dos elétrons excitados no material ganharam energia do ambiente, em vez de perdê-la por entropia.
“Esta observação é contraintuitiva porque os elétrons excitados normalmente perdem a sua energia para o ambiente como uma xícara de café quente perde o seu calor para o ambiente”, disse Chan.
Os pesquisadores acreditam que o ganho de energia pode ser devido a um efeito quântico nos elétrons, onde um elétron pode aparecer em múltiplas moléculas ao mesmo tempo. Este efeito quântico, combinado com a Segunda Lei da Termodinâmica, que afirma que todo processo físico levará a um aumento na entropia total, leva ao ganho inesperado de energia.
“Na maioria dos casos, um objeto quente transfere calor para o ambiente frio porque a transferência de calor leva a um aumento na entropia total”, disse Rijal. “Mas descobrimos que para moléculas orgânicas dispostas em uma estrutura específica em nanoescala, a direção típica do fluxo de calor é invertida para que a entropia total aumente. Este fluxo de calor reverso permite que éxcitons [constituídos por um elétron excitado ligado a um buraco em cristal semicondutor] neutros ganhem calor do ambiente e se dissociem em um par de cargas positivas e negativas. Essas cargas livres podem, por sua vez, produzir corrente elétrica.”
Os pesquisadores disseram que o mecanismo pode ser usado para fabricar células solares mais eficientes. Eles também acreditam que pode ser útil quando aplicado a fotocatalisadores para produção de combustível solar, um processo fotoquímico que utiliza a luz solar para converter dióxido de carbono em combustíveis orgânicos.
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