A energia solar desempenha um papel importante nos esforços para reduzir a dependência de combustíveis fósseis e combater as alterações climáticas. O sol fornece enormes quantidades de energia à Terra a cada momento, mas as células solares modernas capturam apenas uma fração dela. Esta limitação é causada por um “teto físico” que há muito é difícil de superar.
Postado em Jornal da Sociedade Química Americana No dia 25 de março, cientistas da Universidade de Kyushu, no Japão, trabalhando com colaboradores da Universidade Johannes Gutenberg (JGU) em Mainz, Alemanha, desenvolveram um novo método para romper esta barreira. Eles usaram um complexo metálico à base de molibdênio chamado emissor “spin-flip” para capturar a energia extra gerada pela fissão singlete (SF), que é frequentemente descrita como uma “tecnologia dos sonhos” para melhorar a conversão de luz.
Com esta abordagem, a equipa alcançou uma eficiência de conversão energética de cerca de 130%, ultrapassando o limite tradicional de 100% e apontando para tecnologias solares mais avançadas.
Como funcionam as células solares e por que a energia é perdida
As células solares produzem eletricidade quando os fótons da luz solar atingem um semicondutor e transferem energia para os elétrons, fazendo com que os elétrons se movam e criem uma corrente elétrica. Este processo pode ser comparado a um relé, onde a energia é transferida de uma partícula para outra.
No entanto, nem todos os fótons são igualmente úteis. Os fótons infravermelhos de baixa energia não têm energia suficiente para ativar os elétrons, enquanto os fótons de alta energia, como a luz azul, perdem o excesso de energia na forma de calor. Portanto, as células solares só podem aproveitar cerca de um terço da luz solar recebida. Este limite é conhecido como limite de Shockley-Queisser e continua a ser um desafio significativo.
A fissão singlete fornece uma maneira de multiplicar a energia
“Temos duas estratégias principais para superar esta limitação”, disse Yoichi Sasaki, professor associado da Escola de Engenharia da Universidade de Kyushu. “Uma é converter fótons infravermelhos de energia mais baixa em fótons visíveis de energia mais alta. A outra, que exploramos aqui, é usar SF para gerar dois excitons a partir de um único fóton de exciton.”
Em condições normais, cada fóton produz apenas um exciton singleto de spin após a excitação. Através do SF, este único exciton pode ser dividido em dois excitons triplos de spin de menor energia, o que pode efetivamente dobrar a energia disponível. Embora certos materiais, como o tetraceno, possam apoiar este processo, a captura eficaz destes excitons tem-se revelado difícil.
Superando a perda de energia causada pelo FRET
“Antes que ocorra a multiplicação, a energia pode ser facilmente ‘roubada’ por meio de um mecanismo chamado Forster Resonance Energy Transfer (FRET)”, explica Sasaki. “Portanto, precisamos de um receptor de energia que possa capturar seletivamente excitons triplos multiplicados após a fissão.”
Para resolver este problema, os pesquisadores recorreram a complexos metálicos que podem ser projetados com precisão. Eles acreditam que os emissores “spin flip” baseados em molibdênio são uma solução eficaz. Neste sistema, os elétrons mudam seu spin durante a absorção ou emissão de luz infravermelha próxima, permitindo-lhes capturar a energia tripla gerada pelo SF.
Ao ajustar cuidadosamente os níveis de energia, a equipe minimizou as perdas de FRET e conseguiu uma extração eficiente de excitons multiplicados.
Colaboração e experimentação bem-sucedidas
“Não teríamos conseguido chegar a este ponto sem a equipe Heinze da JGU Mainz”, disse Sasaki. Adrian Sauer, aluno de pós-graduação do grupo que fez intercâmbio na Universidade de Kyushu e é o segundo autor do artigo, chamou a atenção da equipe para materiais que ali eram estudados há muito tempo, o que levou à colaboração.
Quando combinado com o material tetrafenílico em solução, o sistema coletou energia com sucesso com um rendimento quântico de aproximadamente 130%. Isto significa que para cada fóton absorvido, aproximadamente 1,3 complexos metálicos à base de molibdênio são ativados, excedendo o limite usual e indicando que são gerados mais portadores de energia do que fótons incidentes.
Futuras aplicações de energia solar e tecnologia quântica
Esta pesquisa introduz uma nova estratégia para amplificar excitons, embora ainda esteja em fase de prova de conceito. O objetivo da equipe é integrar esses materiais em sistemas de estado sólido para melhorar a transferência de energia e aproximar-se de aplicações práticas em células solares.
As descobertas também poderiam encorajar mais pesquisas sobre a combinação de fissão singlete e complexos metálicos, com usos potenciais não apenas em energia solar, mas também em LEDs e tecnologias quânticas emergentes.
