Pesquisadores da Lehigh University criaram um material revolucionário para células solares com até 190% de eficiência quântica externa, indo além dos limites de eficiência convencionais e mostrando uma grande promessa para melhorar futuros sistemas de energia solar. É necessário um maior desenvolvimento para a aplicação prática, apoiado por uma subvenção do Departamento de Energia dos EUA.
Mostra um grande potencial para avançar no desenvolvimento de células solares de próxima geração altamente eficientes, que são vitais para satisfazer a procura energética global.
Uma equipe da Universidade de Lehigh criou um material que pode aumentar significativamente a eficiência dos painéis solares.
Um protótipo usando o material como camada ativa em uma célula solar exibe uma absorção fotovoltaica média de 80%, uma alta taxa de geração de portadores fotoexcitados e uma eficiência quântica externa (EQE) de até 190% sem precedentes – uma medida que excede em muito o limite teórico de eficiência de Shockley-Queisser para materiais à base de silício e leva o campo de materiais quânticos para energia fotovoltaica a novos patamares.
Chindeu Ekuma. Crédito: Universidade Lehigh
“Este trabalho representa um salto significativo na nossa compreensão e desenvolvimento de soluções de energia sustentável, destacando abordagens inovadoras que poderão redefinir a eficiência e a acessibilidade da energia solar num futuro próximo”, disse Chinedu Ekuma, professor de física, que publicou um artigo sobre o desenvolvimento do material com o estudante de doutorado de Lehigh, Srihari Kastuar, na revista Avanços da Ciência.
Propriedades avançadas de materiais
O salto de eficiência do material pode ser atribuído em grande parte aos seus distintos “estados de banda intermediária”, níveis de energia específicos posicionados dentro da estrutura eletrônica do material de uma forma que os torna ideais para conversão de energia solar.
Esses estados têm níveis de energia dentro dos intervalos de subbandas ideais – faixas de energia onde o material pode absorver a luz solar com eficiência e produzir portadores de carga – de cerca de 0,78 e 1,26 elétron-volts.
Além disso, o material funciona especialmente bem com altos níveis de absorção nas regiões infravermelha e visível do espectro eletromagnético.
Esquema da célula solar de película fina com CuxGeSe/SnS como camada ativa. Crédito: Ekuma Lab / Universidade Lehigh
Nas células solares tradicionais, o EQE máximo é 100%, representando a geração e coleta de um elétron para cada fóton absorvido pela luz solar. No entanto, alguns materiais avançados e configurações desenvolvidas ao longo dos últimos anos demonstraram a capacidade de gerar e coletar mais de um elétron a partir de fótons de alta energia, representando um EQE superior a 100%.
Srihari Kastuar, Universidade Lehigh. Crédito: Universidade Lehigh
Embora esses materiais de geração múltipla de excitons (MEG) ainda não tenham sido amplamente comercializados, eles têm o potencial de aumentar significativamente a eficiência dos sistemas de energia solar. No material desenvolvido por Lehigh, os estados da banda intermediária permitem a captura da energia dos fótons que é perdida pelas células solares tradicionais, inclusive por meio da reflexão e da produção de calor.
Desenvolvimento e Potencial de Materiais
Os pesquisadores desenvolveram o novo material aproveitando as “lacunas de van der Waals”, lacunas atomicamente pequenas entre materiais bidimensionais em camadas. Essas lacunas podem confinar moléculas ou íons, e os cientistas de materiais geralmente as usam para inserir ou “intercalar” outros elementos para ajustar as propriedades dos materiais.
Para desenvolver seu novo material, os pesquisadores de Lehigh inseriram átomos de cobre zerovalente entre camadas de um material bidimensional feito de seleneto de germânio (GeSe) e sulfeto de estanho (SnS).
Ekuma, um especialista em física computacional da matéria condensada, desenvolveu o protótipo como uma prova de conceito depois que uma extensa modelagem computacional do sistema demonstrou uma promessa teórica.
“Sua resposta rápida e maior eficiência indicam fortemente o potencial do GeSe/SnS intercalado com Cu como um material quântico para uso em aplicações fotovoltaicas avançadas, oferecendo um caminho para melhorias de eficiência na conversão de energia solar”, disse ele. “É um candidato promissor para o desenvolvimento de células solares de alta eficiência e de próxima geração, que desempenharão um papel crucial no atendimento às necessidades energéticas globais.”
Embora a integração do material quântico recentemente concebido nos actuais sistemas de energia solar exija mais investigação e desenvolvimento, Ekuma salienta que a técnica experimental utilizada para criar estes materiais já é altamente avançada. Ao longo do tempo, os cientistas dominaram um método que insere com precisão átomos, íons e moléculas em materiais.
Referência: “Estados de banda intermediária quimicamente ajustados em material quântico CuxGeSe/SnS atomicamente fino para aplicações fotovoltaicas” por Srihari M. Kastuar e Chinedu E. Ekuma, 10 de abril de 2024, Avanços da Ciência.
DOI: 10.1126/sciadv.adl6752
A pesquisa foi financiada em parte por uma doação do Departamento de Energia dos EUA.
