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Um novo material capaz de melhorar significativamente a eficiência dos sistemas de energia solar aumentou a eficiência quântica dos painéis solares para 190% sem precedentes durante testes recentes.
Um protótipo foi desenvolvido por pesquisadores da Lehigh University com financiamento do Departamento de Energia dos EUA, que apresenta uma camada ativa em uma célula solar usando o material que supostamente também alcançou uma absorção fotovoltaica média de perto de 80%.
Os sistemas fotovoltaicos (PV) são sistemas elétricos que podem fornecer energia solar utilizável, geralmente envolvendo painéis solares que coletam a luz solar e a convertem em eletricidade. Componentes adicionais incluem um inversor solar usado para converter a potência em corrente alternada que pode ser usada para alimentar dispositivos convencionais.
As células solares tradicionais possuem uma eficiência quântica externa máxima (EQE) de 100%, o que significa que podem gerar e coletar um único elétron para cada fóton que absorvem através da luz solar coletada. Nos últimos anos, os avanços nos materiais utilizados para tais sistemas têm se mostrado promissores para o aumento da geração e coleta de elétrons a partir de fótons de alta energia.
A eficiência demonstrada pelo novo protótipo testado pela equipe da Universidade de Lehigh excede em muito os atuais limites teóricos para materiais convencionais à base de silício usados em tais sistemas fotovoltaicos e poderia potencialmente revolucionar o campo que envolve os materiais quânticos dos quais eles dependem.
Chinedu Ekuma, professor de física especializado em física computacional da matéria condensada, diz que os experimentos com o novo material marcam um salto significativo em direção ao desenvolvimento de novas soluções energéticas que sejam mais sustentáveis e acessíveis.
Ekuma e a equipe por trás da descoberta atribuem as notáveis capacidades do novo material ao que chamam de “estados de banda intermediária”, que envolvem certos níveis de energia que são incorporados à estrutura eletrônica do material, ajudando a otimizar sua capacidade de converter energia solar.
Esses estados de banda intermediária têm níveis de energia que se alinham com faixas de energia ideais de 0,78 e 1,26 elétron-volts, onde o material pode absorver a luz solar e produzir carga. Conhecidas como lacunas de sub-bandas, essas faixas de energia são ideais para uso na criação de materiais capazes de absorção eficiente da luz solar.
Além de suas capacidades com luz visível, Ekuma e sua equipe relatam que o novo material também é capaz de absorver energia infravermelha.
Novos materiais desenvolvidos nos últimos anos que aumentam a geração e coleta de elétrons de fótons de alta energia dependem dos chamados materiais de geração de múltiplos excitons (MEG), que ainda são incipientes e ainda não foram usados regularmente em aplicações comerciais. No entanto, eles são promissores para uma nova geração de sistemas de energia solar nos próximos anos.
O material desenvolvido por Ekuma e pela equipe de Lehigh utiliza seu design exclusivo e uso de estados de banda intermediários para capturar energia que normalmente é perdida em sistemas convencionais de energia solar.
Especificamente, a equipe aproveitou o que os físicos chamam de lacunas de van der Waals, que são lacunas minúsculas de largura atômica entre materiais bidimensionais em camadas que confinam moléculas ou íons. Estas lacunas proporcionam espaço suficiente apenas para permitir a inserção de outros elementos que permitem um maior grau de controle.
Na criação do novo material, Ekuma e a equipe intercalaram átomos de cobre zerovalentes nas pequenas lacunas entre as camadas de material 2D composto de seleneto de germânio (GeSe) e sulfeto de estanho (SnS).
Ekuma diz que a resposta rápida e o aumento da eficiência do material “indicam fortemente o potencial do GeSe/SnS intercalado com Cu como um material quântico para uso em aplicações fotovoltaicas avançadas”, acrescentando que o desempenho do material poderia ajudar a facilitar um novo “caminho para melhorias de eficiência em conversão de energia solar.”
A integração do novo protótipo em sistemas contemporâneos de energia solar ainda exigirá um pouco de tempo, já que Ekuma e a equipe afirmam que serão necessárias pesquisas adicionais para determinar como seu material pode ser aplicado para tais usos.
No entanto, o refinamento que os cientistas aproveitaram na inserção de átomos, íons e moléculas em materiais provavelmente ajudará a acelerar o processo e levará a avanços adicionais na geração de energia solar.
Ekuma chamou o novo protótipo de “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”.
A novo papel descrevendo as descobertas da equipe apareceu no jornal Avanços da Ciência.
Micah Hanks é o editor-chefe e cofundador do The Debrief. Ele pode ser contatado por e-mail em micah@thedebrief.org. Acompanhe seu trabalho em micahhanks.com e em X: @MicahHanks.
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