Células solares: fissão de singleto alcança 130% de rendimento quântico

Cientistas não param de tentar elevar a eficiência de células solares - isto é, a parcela da luz do Sol disponível que de facto vira eletricidade - e uma nova abordagem para essa tecnologia chegou a um impressionante “rendimento quântico” de 130%.

O que quer dizer “130% de rendimento quântico”

É essencial esclarecer que esse número se refere a um retorno de energia no nível quântico. Portanto, não se trata de um painel solar a converter luz em eletricidade a 130%. O avanço aparece como um aumento de eficiência medido pela frequência com que um evento específico acontece por fóton absorvido pelo sistema.

O resultado, em termos práticos de laboratório, pode ser descrito como uma melhoria em “quantas vezes algo útil acontece” a cada fóton captado.

Por que a eficiência das células solares tem um limite

Uma das razões para células solares normalmente atingirem um máximo por volta de 33% de eficiência global é uma restrição conhecida como limite de Shockley-Queisser.

“Temos duas estratégias principais para ultrapassar esse limite”, diz o químico Yoichi Sasaki, da Universidade de Kyushu, no Japão.

“Uma é converter fótons infravermelhos de menor energia em fótons visíveis de maior energia. A outra, que exploramos aqui, é usar fissão de singleto para gerar dois éxcitons a partir de um único fóton que geraria um único éxciton.”

Fissão de singleto: como passar de 100% no evento por fóton

Para ultrapassar a barreira de 100%, a abordagem nova divide em duas a energia colhida de um único fóton de luz incidente. Esse desdobramento alimenta dois estados excitados no material recetor, chamados de éxcitons.

O processo recebe o nome de fissão de singleto e, como explica a equipa internacional responsável pelo estudo, ele ajuda a evitar que o excesso de energia seja dissipado na forma de calor.

Tetraceno e molibdênio: como “segurar” os éxcitons a tempo

Os investigadores usaram uma molécula orgânica chamada tetraceno como material de divisão, já que as suas características permitem que a fissão de singleto ocorra. As propriedades do tetraceno tornam-no adequado para transformar um pacote de alta energia em dois pacotes de energia mais baixa por meio de excitação eletrónica.

Apesar de a fissão de singleto não ser uma ideia completamente nova, ela é apenas metade da explicação do que foi conseguido aqui. Um grande obstáculo em experiências anteriores era dar tempo suficiente para a fissão de singleto acontecer antes que a energia se perdesse ou fosse transferida para outro lugar.

É neste ponto que entra o elemento metálico molibdênio, escolhido também pelas suas propriedades específicas. Ao misturá-lo com o tetraceno, a equipa conseguiu capturar os éxcitons divididos num composto de molibdênio.

No nível quântico mais pequeno, o molibdênio funciona como o que se chama de emissor de inversão de spin. Primeiro, ele “prende” a energia; depois, recorre a uma inversão quântica de spin para converter estados invisíveis em luz. Isso levou ao resultado-chave: 1,3 complexos metálicos à base de molibdênio excitados por fóton absorvido.

“A energia pode ser facilmente ‘roubada’ por um mecanismo chamado transferência de energia por ressonância de Förster (FRET) antes que a multiplicação aconteça”, diz Sasaki.

“Por isso, precisávamos de um aceitador de energia que capturasse seletivamente os éxcitons tripleto multiplicados após a fissão.”

Próximos passos e dificuldades práticas

Vale reforçar que estes são testes iniciais de laboratório. As próximas etapas envolvem converter a solução líquida usada aqui numa forma sólida que possa ser acoplada a um painel solar de modo fiável e eficiente - algo que os próprios investigadores reconhecem que será um grande desafio.

Também existe a questão de os complexos de molibdênio conseguirem manter a energia tempo suficiente para que ela seja útil, além de a capturarem adequadamente logo de início. Esse “processo de decaimento” é outro ponto que o estudo aborda.

Ainda assim, essas preocupações práticas futuras não diminuem o entusiasmo em torno da pesquisa: ela traça com clareza um caminho para painéis solares capazes de ir além dos limites de eficiência atuais, e há várias formas de ajustar e testar este conceito de prova daqui em diante.

Como a energia solar é uma peça central para reduzir a dependência de combustíveis fósseis e desacelerar as mudanças climáticas, conseguir elevar de forma substancial as taxas de conversão em painéis solares pode ser transformador para o setor energético - sobretudo quando combinado com novos mecanismos de armazenamento de energia.

“Este trabalho representa um passo significativo em direção ao desenvolvimento de materiais de amplificação de éxcitons/fótons ao combinar materiais de fissão de singleto com complexos de metais de transição, avançando a aplicação da fissão de singleto para além das limitações convencionais”, escrevem os investigadores no artigo.

A pesquisa foi publicada no Periódico da Sociedade Química Americana.