Nanotela cria "buraco negro" para células solares

Redação do Site Inovação Tecnológica - 12/12/2012

A nanotela deixa a luz entrar, mas não a deixa sair, otimizando o aproveitamento dos fótons pelo material semicondutor. [Imagem: Chou lab]

Armadilha para luz

Pesquisadores encontraram uma maneira simples e barata para quase triplicar a eficiência das células solares.

Uma nanotela, com dimensões cuidadosamente calculadas, aprisiona a luz, não deixando que os fótons escapem, otimizando seu aproveitamento.

A nanoestrutura ataca duas das principais deficiências de todas as células solares: a reflexão da luz pela célula e sua incapacidade para aproveitar todos os fótons que entram em seu interior.

Sub-comprimento de ondas

Stephen Chou e Wei Ding, da Universidade de Princeton, nos Estados Unidos, diminuíram o custo dessas ineficiências construindo uma "cavidade plasmônica de sub-comprimento de onda".

O dispositivo, que se torna uma parte essencial da célula solar, é uma malha metálica muito fina.

A nanotela tem 30 nanômetros de espessura e cada buraco tem 175 nanômetros de diâmetro, separados uns dos outros por 25 nanômetros.

Todas essas dimensões são muito menores do que o comprimento de onda da luz - daí a expressão "sub-comprimento de ondas" no nome dessa armadilha de luz.

Isso é essencial porque a luz se comporta de maneiras muito peculiares em estruturas com dimensões abaixo do seu comprimento de ondas. Essa tela em particular, permite que a luz entre, com quase nenhum reflexão, mas não saia.

"É como um buraco negro para a luz. Ele a aprisiona," comenta Chou.

"É como um buraco negro para a luz. Ela a aprisiona." [Imagem: Chou Lab]

Sanduíche solar

Os dois pesquisadores testaram o novo aparato com células solares orgânicas, as promissoras células solares de plástico, que são baratas e flexíveis. Contudo, o princípio também deverá funcionar para as células solares inorgânicas, de silício.

A estrutura da nova célula solar passa a ser um sanduíche, onde uma metade é a nanotela, e a outra é o filme fino metálico tradicionalmente usado nas células solares.

O recheio é uma fita de material semicondutor - esta camada pode ser virtualmente qualquer material usado em células solares, como plástico, arseneto de gálio ou silício.

Neste experimento a dupla usou um plástico semicondutor.

Eficiência da célula solar

O resultado é uma célula solar orgânica que reflete apenas 4% da luz, absorvendo os outros 96%.

A eficiência da célula na conversão da energia solar em eletricidade aumentou em nada menos do que 175%, e justamente quando ela não está voltada diretamente para o Sol, ou durante dias nublados.

Quando diretamente voltada para o Sol, o ganho em eficiência foi de 52%.

Os pesquisadores afirmam que é possível pensar em otimizar o mecanismo ainda mais, embora eles tenham sido surpreendidos com os excepcionais resultados desse primeiro protótipo.

Bibliografia:

Ultrathin, high-efficiency, broad-band, omni-acceptance, organic solar cells enhanced by plasmonic cavity with subwavelength hole array
Stephen Y. Chou, Wei Ding
Optics Express
Vol.: 21, Issue S1, pp. A60-A76
DOI: 10.1364/OE.21.000A60