Novo método transforma a “energia extra” da luz em portadores de carga adicionais e supera o limite de Shockley–Queisser

Novo método permite transformar a “energia extra” da luz em portadores de carga adicionais, ultrapassando um limite clássico

Pesquisadores apresentaram uma forma de contornar uma das principais barreiras fundamentais da energia solar: o limite de Shockley–Queisser - a eficiência máxima teórica de uma célula solar - que, por mais de 60 anos, foi tratado como o teto para o desempenho de fotoelementos.

Na base da maior parte dos painéis atuais estão células fotovoltaicas, isto é, semicondutores que convertem luz em eletricidade. Ainda assim, mesmo num cenário ideal, essas células aproveitam apenas uma fração da energia recebida do Sol. O máximo teórico fica em 33%, enquanto painéis comerciais costumam chegar a cerca de 25%.

Por que o limite de Shockley–Queisser aparece

A limitação vem da própria natureza do espectro solar e da termodinâmica. A radiação do Sol abrange uma faixa ampla de energias, mas os fotoelementos só conseguem converter com boa eficiência um intervalo relativamente estreito.

Quando o fóton tem energia baixa demais, ele atravessa o material sem gerar corrente. Já fótons mais energéticos até são absorvidos, porém a parte “a mais” da energia acaba se dissipando como calor - uma perda inevitável nos dispositivos convencionais.

A proposta com fissão singlete: tetraceno e molibdénio para gerar mais portadores de carga

Num estudo recente, equipes do Japão e da Alemanha sugeriram como aproveitar a fatia do espectro antes considerada “perdida”, em especial a luz azul de alta energia, que normalmente não é convertida de modo eficiente em eletricidade.

O que eles demonstraram é que, ao iluminar um composto específico com esse tipo de luz, torna-se possível “dividir” a energia de um único fóton em duas excitações úteis. Com isso, observaram uma eficiência em torno de 130% - ou seja, para cada 100 fótons absorvidos, obtêm-se 130 portadores de energia.

O mecanismo central é a fissão singlete, um fenómeno no qual um estado excitado pode originar dois estados excitados. Na prática, isso aumenta a quantidade de portadores de carga gerados sem exigir que mais fótons sejam absorvidos.

Para viabilizar a abordagem, foi usada a molécula orgânica tetraceno em combinação com o elemento metálico molibdénio. O tetraceno já havia sido explorado em sistemas voltados a fótons de alta energia, mas soluções desse tipo esbarravam em dificuldades de estabilidade e de operação prolongada. Segundo os autores, a adição de molibdénio ajudou a superar esses entraves.

Um dos autores, o químico Yoichi Sasaki, da Universidade de Kyushu, explicou que há dois caminhos principais para ultrapassar o limite de Shockley–Queisser. O primeiro consiste em converter fótons infravermelhos de baixa energia em fótons mais energéticos. O segundo - aplicado neste trabalho - é empregar a fissão singlete para extrair duas excitações a partir de um único fóton.

Em que fase a tecnologia está

Por enquanto, o avanço permanece no laboratório. Os resultados obtidos indicam que é possível, em princípio, contornar a restrição fundamental, mas a adoção em painéis solares comerciais ainda está distante.

Ainda assim, trata-se de um dos passos mais expressivos rumo a reavaliar um limite que, durante muito tempo, foi considerado intransponível. Caso a tecnologia possa ser escalada, ela tem potencial para mudar a forma de projetar fotoelementos e elevar a eficiência da energia solar sem uma alteração radical da arquitetura básica dos dispositivos.