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Para converter a luz solar em eletricidade ou outras formas de energia da forma mais eficiente possível, o primeiro passo é um sistema eficiente de captação de luz. Idealmente, deveria ser pancromático, ou seja, absorver todo o espectro da luz visível.
As antenas coletoras de luz de plantas e bactérias são um modelo para isso. Eles capturam um amplo espectro de luz para a fotossíntese, mas são de estrutura muito complexa e requerem muitos corantes diferentes para transmitir a energia da luz absorvida e focalizá-la em um ponto central.
Os sistemas de captação de luz desenvolvidos pelos humanos até hoje também apresentam desvantagens:
Embora os semicondutores inorgânicos como o silício sejam pancromáticos, eles absorvem luz apenas fracamente. Para absorver energia luminosa suficiente, são necessárias camadas muito espessas de silício na faixa dos micrômetros – tornando as células solares relativamente volumosas e pesadas.
Os corantes orgânicos adequados para células solares são muito mais finos: a espessura de sua camada é de apenas cerca de 100 nanômetros. No entanto, eles mal conseguem absorver uma ampla faixa espectral e, portanto, não são particularmente eficientes.
Camada fina absorve muita energia luminosa
Pesquisadores da Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg, na Baviera, Alemanha, na revista Química apresentaram agora um sistema inovador de coleta de luz que difere significativamente dos sistemas anteriores.
“Nosso sistema tem uma estrutura de banda semelhante à dos semicondutores inorgânicos. Isso significa que ele absorve luz pancromaticamente em toda a faixa visível. E usa os altos coeficientes de absorção dos corantes orgânicos. Como resultado, pode absorver uma grande quantidade de luz energia em uma camada relativamente fina, semelhante aos sistemas de captação de luz natural”, diz o professor de química da JMU, Frank Würthner. Sua equipe do Instituto de Química Orgânica/Centro de Química de Nanossistemas projetou o sistema de coleta de luz da JMU e o investigou junto com o grupo do professor Tobias Brixner do Instituto de Química Física e Teórica.
Quatro corantes em um arranjo engenhoso
Simplificando, a inovadora antena de captação de luz de Würzburg consiste em quatro corantes de merocianina diferentes que são dobrados e, portanto, empilhados juntos. O elaborado arranjo das moléculas permite o transporte de energia ultrarrápido e eficiente dentro da antena.
Os pesquisadores deram ao protótipo do novo sistema de coleta de luz o nome de URPB. As letras representam os comprimentos de onda da luz que são absorvidos pelos quatro componentes corantes da antena: U para ultravioleta, R para vermelho, P para roxo, B para azul.
Desempenho comprovado via fluorescência
Os pesquisadores demonstraram que seu novo sistema de coleta de luz funciona tão bem medindo o chamado rendimento quântico de fluorescência. Isso envolve medir quanta energia o sistema emite na forma de fluorescência. Isso permite tirar conclusões sobre a quantidade de energia luminosa que ele coletou anteriormente.
O resultado: o sistema converte 38% da energia luminosa irradiada em uma ampla faixa espectral em fluorescência – os quatro corantes por si só, por outro lado, gerenciam menos de 1% até um máximo de 3%. A combinação certa e o arranjo espacial hábil das moléculas de corante na pilha fazem, portanto, uma grande diferença.
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