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Células solares orgânicas são uma tecnologia emergente com muitas promessas. Ao contrário do onipresente painel solar de silício, eles têm o potencial de serem leves, flexíveis e apresentar uma variedade de cores, tornando-os particularmente atraentes para aplicações urbanas ou de fachada. No entanto, os avanços contínuos no desempenho do dispositivo têm sido lentos, à medida que os pesquisadores trabalham para entender os processos fundamentais subjacentes ao funcionamento das células solares orgânicas.
Agora, engenheiros da Universidade de Princeton e da Universidade de Ciência e Tecnologia King Abdullah descreveram uma nova maneira de expressar a perda de energia em células solares orgânicas e ampliaram essa descrição para fazer recomendações para projetar os melhores dispositivos. Este avanço poderia reimaginar a abordagem convencional para a construção de células solares orgânicas. Seu trabalho foi publicado em 18 de novembro em Joule.
“Havia uma maneira pela qual a perda de energia em células solares orgânicas era tradicionalmente descrita e definida. E acontece que essa descrição não estava totalmente correta”, disse Barry Rand, co-autor do estudo e professor associado de engenharia elétrica e de computação e o Centro Andlinger de Energia e Meio Ambiente.
Rand apontou que o método tradicional para descrever a perda de energia não explicava a presença de desordem em uma célula solar orgânica. Um tipo de distúrbio, distúrbio dinâmico, é causado pelo movimento errático de moléculas no nível micro, levando à perda de energia que é praticamente inevitável na maioria das temperaturas. O outro tipo, desordem estrutural ou estática, é produto das estruturas intrínsecas dos diversos materiais utilizados em uma célula solar orgânica, bem como de sua disposição dentro de um dispositivo.
Pesquisas anteriores sobre células solares orgânicas que não levavam em conta a desordem nos cálculos de perda de energia produziram valores em torno de 0,6 elétron-volts, independentemente dos materiais do dispositivo. Mas quando Rand e sua equipe incorporaram a desordem na forma como calcularam a perda de energia e testaram vários dispositivos, descobriram que o nível de desordem desempenhava um papel importante na determinação da perda total de energia de uma célula solar orgânica.
“À medida que a desordem de uma célula solar aumenta, vemos nosso componente de perda de energia não radiativa – o componente sobre o qual temos controle – cresce rapidamente”, disse Rand. “A perda de energia não radiativa cresce com o quadrado do componente de desordem.”
Depois de demonstrar que o aumento da desordem faz com que a perda de energia aumente acentuadamente nos dispositivos, os pesquisadores foram capazes de fazer recomendações para materiais que minimizam a desordem e, portanto, levam a dispositivos mais eficientes. Como os cientistas podem escolher os materiais que usam e também como organizá-los em uma célula solar orgânica, eles têm algum controle sobre o nível de desordem estrutural em um determinado dispositivo.
Ao projetar uma célula solar orgânica, os pesquisadores podem se concentrar na criação de uma mistura homogênea de materiais, na qual as partes de um filme são todas cristalinas ou amorfas, ou uma mistura heterogênea, na qual algumas partes de um filme são cristalinas e outras partes são amorfos.
Por meio de seu trabalho, a equipe de Rand demonstrou que, quando se trata de construir células solares orgânicas, as misturas homogêneas reinam supremas. Para células solares orgânicas de melhor desempenho, Rand disse que os cientistas devem usar materiais altamente cristalinos ou altamente amorfos e evitar misturar os dois dentro de um dispositivo.
“Se você tiver algo intermediário, alguma heterogeneidade na qual partes de um filme são levemente cristalinas e outras amorfas, é aí que você perde mais energia”, disse Rand.
Essa descoberta quebra a convenção, já que os pesquisadores acreditavam anteriormente que algum nível de heterogeneidade nas misturas de células solares era benéfico para o desempenho geral. Mas como a equipe de Rand descobriu que as misturas heterogêneas de dispositivos tinham altos níveis de desordem e perdiam quantidades significativas de energia, ele disse que sua descoberta poderia fornecer um novo foco para os pesquisadores à medida que buscam células solares orgânicas mais eficientes.
“A heterogeneidade sempre foi o ponto focal dos dispositivos. Pensava-se que algum nível de cristalinidade era benéfico. Mas descobrimos que não foi isso que vimos”, disse Rand. Ele apontou que muitas das células solares orgânicas de alto desempenho hoje são compostas de filmes altamente amorfos e sugeriu que, com as tecnologias existentes, as misturas completamente amorfas são mais pragmáticas do que as completamente cristalinas.
Embora a pesquisa de sua equipe tenha procurado principalmente entender a ciência por trás das células solares orgânicas, Rand espera que outros possam usar seu trabalho para construir dispositivos mais eficientes e, finalmente, alcançar novos padrões de desempenho para essa promissora tecnologia solar.
“Esta descoberta é outro aspecto das células solares orgânicas que podemos adicionar ao que já sabemos, o que nos ajudará a melhorar sua eficiência daqui para frente”, disse Rand.
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