Num avanço na tecnologia fotovoltaica, uma nova camada de vitrocerâmica GdPO4 melhora a conversão de luz em eletricidade, utilizando a luz UV de forma mais eficaz. Esta inovação aumenta a eficiência e a durabilidade das células solares, oferecendo um potencial significativo para futuras soluções de energia renovável. Crédito: SciTechDaily.com
O material protetor transforma fótons ultravioleta prejudiciais em luz visível, aumentando a eficiência de conversão dos dispositivos fotovoltaicos.
Na última década, as células fotovoltaicas (PCs) têm atraído muita atenção em todo o mundo como fontes promissoras de energia renovável. No entanto, os PCs ainda não alcançaram eficiências de conversão de luz em eletricidade suficientemente elevadas para obterem uma adoção generalizada, e os cientistas estão à procura de novos materiais e designs com melhor desempenho.
Limitações das atuais tecnologias fotovoltaicas
Dois dos tipos de PCs mais estudados são os PCs de perovskita e os PCs de carboneto de silício amorfo (a-SiC:H), cada um com seu próprio conjunto de limitações. Os PCs de perovskita sofrem de dois grandes contratempos: primeiro, embora a radiação solar cubra comprimentos de onda que vão do infravermelho próximo até a luz ultravioleta (UV), os PCs de perovskita usam apenas uma pequena porção desse espectro, levando a uma baixa eficiência de conversão de energia. . Em segundo lugar, são vulneráveis à fotodegradação devido à exposição à luz UV de alta intensidade. Em contraste, os PCs a-SiC:H não conseguem captar efetivamente a luz UV devido a uma incompatibilidade entre o perfil espectral da luz solar e a resposta espectral dos materiais a-SiC:H.
Camada Conversora Espectral Inovadora
Mas e se esses problemas pudessem ser resolvidos simplesmente aplicando uma camada transparente especial na parte superior do PC? Num estudo recente publicado no Jornal de Fotônica para Energiauma equipe de pesquisa incluindo o Dr. Pei Song da Universidade de Ciência de Engenharia de Xangai, China, desenvolveu um novo conversor espectral solar usando um GdPO4 material vitrocerâmico (GC) dopado com íons praseodímio (Pr) e európio (Eu). Esta tecnologia pode levar a aumentos notáveis no desempenho e aplicabilidade em células solares.
A aplicação de uma camada transparente de vitrocerâmica dopada com Pr3+/Eu3+ no topo de uma célula fotovoltaica protege-a simultaneamente da luz UV prejudicial e converte essa radiação UV em luz visível, aumentando assim a eficiência de conversão de luz em energia. Crédito: Jornal de Fotônica para Energia
Mecanismo e benefícios da nova camada conversora
O principal objetivo do GdPO4-GC:Eu3+/Pr3+ é absorver fótons UV da radiação solar e reemiti-los como luz visível. Isso é possível graças à transferência eficiente de energia que ocorre entre os íons do material. Quando um UV fóton bate um Pr3+ íon, ele gera um estado eletrônico excitado. Essa energia acumulada tem grandes chances de ser transferida para um Gd3+ íon, que libera parte dele antes de transferir o resto para um Eu3+ íon. Como resultado, os estados eletrônicos excitados na UE3+ O íon sofre uma transição descendente para estados de energia mais baixos, emitindo luz visível.
Vários experimentos confirmaram que o Gd3+ íons atuam como pontes entre Pr3+ e eu3+ íons nessas transições de energia. Assim, um GdPO fino e transparente4-GC:Eu3+/Pr3+ camada aplicada em um PC não apenas o protege dos fótons UV, mas também fornece luz adicional. Além disso, esse efeito protetor ajuda a prevenir a fotodegradação em PCs de perovskita. Enquanto isso, tanto nos PCs de perovskita quanto em a-SiC:H, a camada de conversão espectral ajuda o sistema geral a usar a energia da radiação solar de forma mais eficiente, tornando-o “sensível” aos fótons UV, que de outra forma seriam desperdiçados.
Aplicações potenciais e pesquisas futuras
Nomeadamente, o GdPO proposto4-GC:Eu3+/Pr3+ o material é simples de sintetizar por meio de um processo convencional de têmpera por fusão. Além disso, como o material também é notavelmente estável, parece promissor como camada protetora para PCs espaciais, como os usados em estações espaciais. “Hoje em dia, as estações espaciais em expansão exigem mais suporte de energia e precisam de PCs de alto desempenho. Ao cobrir a parte superior de um PC com o material de conversão espectral proposto e usar tecnologia apropriada de encapsulamento e vedação, podemos garantir níveis de umidade muito baixos e reciclagem eficiente de UV”, explica Song. “Além disso, os materiais de GC têm uma textura dura, para que possam proteger os PCs de serem atingidos por pequenos detritos flutuantes no espaço.”
Mais estudos serão necessários para melhorar ainda mais a eficiência dos PCs usando materiais de GC dopados como conversores espectrais. Os investigadores observam que o trabalho futuro poderá concentrar-se na melhoria da relação custo-eficácia, ajustando as concentrações de dopagem e otimizando a espessura da camada protetora.
Um passo em direção à energia solar sustentável
“Com aplicações potenciais em PCs terrestres e espaciais, o desenvolvimento de Pr de redução espectral3+/UE3+ A vitrocerâmica co-dopada pode abrir novos caminhos para alcançar melhor desempenho em dispositivos fotovoltaicos”, conclui Song.
Esperemos que a energia solar cresça e se torne não apenas uma alternativa ecológica aos combustíveis fósseis, mas também a fonte de energia do futuro!
Referência: “Conversor espectral solar acionado por comprimento de onda ultravioleta para aplicação em células fotovoltaicas” por Pei Song, Chaomin Zhang e Pengfei Zhu, 23 de dezembro de 2023, Jornal de Fotônica para Energia.
DOI: 10.1117/1.JPE.14.015501
