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As células solares atingiram cerca de 130% de eficiência em testes com um novo sistema molecular à base de molibdênio, superando uma barreira histórica da energia solar e abrindo caminho para painéis mais potentes, com mais portadores de energia gerados do que fótons absorvido
As células solares deram um passo importante rumo à superação de uma barreira histórica de eficiência com um avanço obtido por pesquisadores da Universidade de Kyushu, no Japão, em colaboração com a Universidade Johannes Gutenberg de Mainz, na Alemanha. A nova estratégia permitiu às células solares alcançar eficiência de conversão de energia em torno de 130%, ao produzir mais portadores de energia do que fótons absorvidos.
O resultado foi publicado em 25 de março no Journal of the American Chemical Society e se baseia no uso de um complexo metálico à base de molibdênio com “inversão de spin”.
O sistema foi projetado para capturar a energia extra gerada pela fissão de singlete, um processo apontado como uma rota promissora para ampliar o aproveitamento da luz solar em células solares.
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Como as células solares perdem parte da energia
As células solares geram eletricidade quando os fótons da luz solar atingem um semicondutor e transferem energia para os elétrons, colocando essas partículas em movimento e formando uma corrente elétrica. Apesar disso, nem toda a luz recebida pode ser aproveitada com a mesma eficiência.
Fótons infravermelhos de baixa energia não conseguem ativar elétrons, enquanto fótons de alta energia, como os da luz azul, acabam desperdiçando a energia excedente na forma de calor. Por causa desse limite físico, as células solares modernas conseguem usar apenas cerca de um terço da luz solar incidente.
Essa restrição é conhecida como limite de Shockley-Queisser e há muito tempo representa um obstáculo para o avanço da tecnologia solar. A busca por formas de contornar essa barreira tem orientado pesquisas voltadas à criação de células solares mais eficientes.
A estratégia que elevou a eficiência para 130%
Uma das rotas estudadas para superar esse teto é a fissão de singlete. Nesse processo, um único excíton de spin singleto, gerado após a absorção de um fóton, pode se dividir em dois excítons de spin tripleto de menor energia, ampliando o número de portadores energéticos disponíveis.
Em condições normais, cada fóton produz apenas um excíton. Com a fissão de singlete, porém, esse rendimento pode ser ampliado, o que abre a possibilidade de aumentar a eficiência das células solares além do que hoje é considerado convencional.
Materiais como o tetraceno já demonstravam capacidade de sustentar esse processo, mas a captura eficiente desses excítons multiplicados seguia como um desafio. Antes que a multiplicação energética pudesse ser aproveitada, parte dela era perdida por um mecanismo chamado transferência de energia por ressonância de Förster, conhecido pela sigla FRET.
O papel do molibdênio e da inversão de spin
Para reduzir essas perdas, os pesquisadores buscaram um aceptor de energia capaz de capturar seletivamente os excítons tripleto gerados após a fissão de singlete. A solução encontrada foi um emissor de inversão de spin à base de molibdênio, desenhado para absorver ou emitir luz no infravermelho próximo enquanto um elétron altera seu spin.
Com o ajuste dos níveis de energia do sistema, a equipe conseguiu minimizar as perdas causadas pela FRET e extrair com mais eficiência os excítons multiplicados. Quando combinado com materiais à base de tetraceno em solução, o arranjo apresentou rendimentos quânticos de cerca de 130%.
Na prática, isso significa que aproximadamente 1,3 complexos metálicos à base de molibdênio foram ativados para cada fóton absorvido. O resultado mostrou que o sistema conseguiu produzir mais portadores de energia do que o número de fótons incidentes, superando o limite tradicional de 100%.
Próximos passos para novas células solares
O trabalho ainda está em fase de prova de conceito, mas os pesquisadores pretendem integrar esses materiais em sistemas de estado sólido. O objetivo é melhorar a transferência de energia e aproximar a tecnologia de aplicações práticas em células solares.
Além do impacto potencial sobre células solares mais potentes, os resultados também podem estimular novas pesquisas que combinem fissão de singlete e complexos metálicos em outras áreas. Entre as possibilidades citadas estão LEDs e tecnologias quânticas emergentes.
Este artigo foi elaborado com base em informações sobre pesquisa publicada em 25 de março no Journal of the American Chemical Society, conduzida por pesquisadores da Universidade de Kyushu, no Japão, em colaboração com a Universidade Johannes Gutenberg de Mainz, na Alemanha.
