Usando a nanotecnologia para tornar as células solares mais baratas e eficientes

Escrito por AZoCleantech, atualizado por Susha Das em 19 de agosto de 2019 para AZOCleanTech.

A indústria solar dos EUA viu avanços na tecnologia de células solares nos últimos anos. Na corrida para tornar as células solares mais baratas e mais eficientes, os pesquisadores estão apostando em novos projetos que exploram nanoestruturas - materiais projetados na escala de um bilionésimo de metro. Usando a nanotecnologia, os pesquisadores podem experimentar e controlar como um material gera, captura, transporta e armazena elétrons livres - propriedades importantes para a conversão da luz solar em eletricidade.

Células de filme fino baratas são cruciais para atender à necessidade de células solares baratas usando nanotecnologia. As células de filme fino usam uma camada de silício policristalino com 1-2 micrômetros de espessura, em comparação com as bolachas de silicone cristalino convencionais caras, com uma espessura de 200 a 300 micrômetros.

Como a nanotecnologia melhora as células solares

O uso de nanopartículas na produção de células solares tem vários benefícios, como a redução dos custos de fabricação devido ao processo de baixa temperatura em comparação com a deposição a vácuo de alta temperatura usada para fabricar células solares convencionais. Custos de instalação mais baixos podem ser alcançados usando filmes finos flexíveis em vez de painéis cristalinos rígidos. As células solares produzidas usando deposição de pontos quânticos têm maior eficiência do que os painéis solares convencionais.

Métodos de nanotecnologia que mostram promessas

Dois métodos de nanotecnologia mostraram uma promessa particular para a engenharia de materiais de células solares. Utiliza-se filmes finos de nanopartículas de óxido de metal, como dióxido de titânio, dopadas com outros elementos, como nitrogênio. Outra estratégia emprega pontos quânticos (cristais de tamanho nano) que absorvem fortemente a luz visível. Esses minúsculos semicondutores injetam elétrons em um filme de óxido de metal, ou "sensibilizam", para aumentar a conversão de energia solar. Tanto a dopagem quanto a sensibilização quântica aumentam a absorção visível da luz dos materiais de óxido metálico.

No entanto, a combinação das duas primeiras abordagens parece produzir melhores materiais de células solares do que qualquer uma sozinha. Um filme fino dopado com nitrogênio e sensibilizado com pontos quânticos teve melhor desempenho que a soma de seus dois componentes individuais.

O material híbrido oferece várias vantagens. O doping de nitrogênio permitiu ao material absorver uma ampla faixa de energia luminosa, incluindo energia da região visível do espectro eletromagnético. Os pontos quânticos também aumentaram a absorção de luz visível e aumentaram a fotocorrente e a conversão de energia do material.

Comparado com materiais dopados apenas com nitrogênio ou apenas incorporados com pontos quânticos de seleneto de cádmio, o nanocompósito apresentou desempenho superior, medido pelo "fóton incidente à eficiência de conversão atual" (IPCE). O IPCE do nanocompósito foi cerca de três vezes maior que a soma dos IPCEs para os outros dois materiais.

Além desses processos, um método chamado Aerotaxy também está se tornando popular para o crescimento de nanofios semicondutores em nanopartículas de ouro. Técnicas de auto-montagem podem ser usadas para alinhar os nanofios em um substrato para formar uma célula solar. Outro método usa uma combinação de nanocubos de prata espalhados por uma fina camada de ouro para diminuir as perdas devido à reflexão.

O papel dos nanocompósitos em outras tecnologias energéticas

Os materiais nanocompósitos podem ser usados não apenas para melhorar as células solares, mas também em outras indústrias de energia. A combinação de uma célula solar altamente eficiente com uma célula fotoeletroquímica de ponta pode resultar em um dispositivo que poderia, em teoria, usar energia gerada da luz solar para separar a água e produzir combustível de hidrogênio. O material nanocompósito também pode ser potencialmente útil em dispositivos que convertem dióxido de carbono em combustíveis de hidrocarbonetos, como o metano.

Esses materiais podem ser manipulados de maneira que, quando a luz do sol os atinja, os elétrons livres gerados possam se mover facilmente de um nível de energia para outro - ou pular através dos diferentes materiais - e ser eficientemente convertidos em eletricidade.

Pesquisa em nanotecnologia relacionada a células solares

Em 2012, os pesquisadores do MIT desenvolveram uma célula solar usando grafeno revestido com nanofios de ZnO, um método que se acredita permitir a produção de células solares flexíveis e de baixo custo com eficiência razoável. Os pesquisadores também estão muito perto de fabricar células solares usando folhas de grafeno com uma única molécula, que podem gerar cerca de 1000 vezes mais energia que as células solares convencionais.

Em 2013, pesquisadores da Universidade Tecnológica de Michigan desenvolveram um favo de mel como a estrutura de grafeno 3D que possui folhas de grafeno retidas pelo carbonato de lítio. Essa nanoestrutura conseguiu atingir 7,8% de conversão de luz em eletricidade.

Mais recentemente, em 2018, os pesquisadores do Instituto Niels Bohr descobriram que a luz solar pode se concentrar em nanofios, graças a um efeito de ressonância. Isso pode ser usado para produzir células solares mais eficientes, coletando mais luz solar e convertendo-a em eletricidade. Além disso, os pesquisadores do Los Alamos National Lab fizeram uma célula solar usando pontos quânticos de sulfeto de seleneto de índio e cobre, que são de baixo custo e não tóxicos, ao contrário dos pontos quânticos de chumbo ou cádmio.

Gostou do post?

Então deixe seu like abaixo e, se desejar, faça um comentário.