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Quando se trata de fornecer energia para exploração e assentamentos espaciais, as células solares comumente disponíveis feitas de silício ou arsenieto de gálio ainda são pesadas demais para serem transportadas de maneira viável por foguetes. Para enfrentar esse desafio, uma ampla variedade de alternativas leves está sendo explorada, incluindo células solares feitas de uma fina camada de seleneto de molibdênio, que se enquadram na categoria mais ampla de células solares de dicalcogeneto de metal de transição 2D (2D TMDC). Publicação dia 6 de junho na edição inaugural da revista Dispositivoos pesquisadores propõem um projeto de dispositivo que pode levar a eficiência dos dispositivos 2D TMDC de 5%, como já demonstrado, para 12%.
“Acho que as pessoas estão lentamente percebendo que os TMDCs 2D são excelentes materiais fotovoltaicos, embora não para aplicações terrestres, mas para aplicações móveis – mais flexíveis, como aplicações baseadas no espaço”, diz o principal autor e Dispositivo membro do conselho consultivo Deep Jariwala da Universidade da Pensilvânia. “O peso das células solares 2D TMDC é 100 vezes menor do que as células solares de silício ou arsenieto de gálio, então, de repente, essas células se tornam uma tecnologia muito atraente.”
Embora as células solares 2D TMDC não sejam tão eficientes quanto as células solares de silício, elas produzem mais eletricidade por peso, uma propriedade conhecida como “potência específica”. Isso ocorre porque uma camada com apenas 3 a 5 nanômetros de espessura – ou mais de mil vezes mais fina que um fio de cabelo humano – absorve uma quantidade de luz solar comparável às células solares disponíveis comercialmente. Sua extrema magreza é o que lhes vale o rótulo de “2D” – eles são considerados “planos” porque têm apenas alguns átomos de espessura.
“Alta potência específica é, na verdade, um dos maiores objetivos de qualquer colheita de luz baseada no espaço ou tecnologia de colheita de energia”, diz Jariwala. “Isso não é importante apenas para satélites ou estações espaciais, mas também se você deseja energia solar em escala real no espaço”.
“O número de células solares que você teria que enviar é tão grande que atualmente nenhum veículo espacial pode levar esses tipos de materiais até lá de uma maneira economicamente viável. Então, realmente a solução é dobrar as células de peso mais leve, que dar-lhe um poder muito mais específico.”
O potencial total das células solares 2D TMDC ainda não foi totalmente realizado, então Jariwala e sua equipe procuraram aumentar ainda mais a eficiência das células. Normalmente, o desempenho desse tipo de célula solar é otimizado por meio da fabricação de uma série de dispositivos de teste, mas a equipe de Jariwala acredita que é importante fazer isso por meio de modelagem computacional.
Além disso, a equipe acredita que, para realmente ultrapassar os limites da eficiência, é essencial considerar adequadamente um dos recursos definidores do dispositivo – e desafiadores para modelar: os excitons.
Excitons são produzidos quando a célula solar absorve a luz solar, e sua presença dominante é a razão pela qual uma célula solar 2D TMDC tem uma absorção solar tão alta. A eletricidade é produzida pela célula solar quando os componentes carregados positivamente e negativamente de um exciton são canalizados para eletrodos separados.
Ao modelar as células solares dessa forma, a equipe conseguiu elaborar um projeto com o dobro da eficiência em relação ao que já foi demonstrado experimentalmente.
“A parte única deste dispositivo é sua estrutura de superrede, o que significa essencialmente que existem camadas alternadas de 2D TMDC separadas por um espaçador ou camada não semicondutora”, diz Jariwala. “Espaçar as camadas permite que você rebata a luz muitas e muitas vezes dentro da estrutura da célula, mesmo quando a estrutura da célula é extremamente fina.”
“Não esperávamos que células tão finas tivessem um valor de 12%. Dado que as eficiências atuais são inferiores a 5%, minha esperança é que nos próximos 4 a 5 anos as pessoas possam realmente demonstrar células com 10% ou mais na eficiência”.
Jariwala diz que o próximo passo é pensar em como alcançar uma produção em larga escala para o projeto proposto. “No momento, estamos montando essas superredes transferindo materiais individuais um sobre o outro, como folhas de papel. ” diz Jariwala. “Precisamos de uma maneira de cultivar esses materiais diretamente um sobre o outro.”
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