Entendendo as células solares

A nanotecnologia tem como umas de suas metas de longo prazo a construção de dispositivos e novos materiais de baixo para cima, ou seja, átomo por átomo ou molécula por molécula.

Tomografia eletrônica 3D de uma célula solar híbrida. A morfologia em nanoescala mostra a interpenetração da rede de óxidos metálicos (amarelo) abaixo de um ontato de alumínio (cinza) no interior de uma matriz de polímero (preto).[Imagem: Eindhoven University of Technology]

Mas este é um projeto ainda distante no futuro. Mesmo os experimentos com moléculas automontantes não são tão bem-comportados como seria de se esperar. E, como acontece com a fabricação tradicional de materiais, depois que o processo se completa, é necessário valer-se dos melhores microscópios disponíveis para tentar descobrir no que as reações químicas resultaram.

A fabricação de células solares orgânicas está ainda no grupo dos materiais com processo de fabricação tradicional, de cima para baixo. E compreender como as moléculas se organizam em seu interior é crucial para tentar aumentar a sua eficiência na conversão da luz solar em eletricidade.

Células solares flexíveis e baratas

Agora, pesquisadores alemães e holandeses conseguiram pela primeira vez gerar imagens 3D de alta resolução do interior de uma célula solar orgânica.

As imagens estão fornecendo informações importantes sobre a estrutura em nanoescala dos polímeros e outros compostos que formam a célula solar e que afetam o seu desempenho.

As células solares orgânicas - feitas com polímeros à base de carbono - ainda não têm a alta eficiência das suas equivalentes feitas de silício. No entanto, elas podem ser impressas em rolos, como um jornal, em alta velocidade, o que torna a tecnologia potencialmente muito barata.

Além disso, as células solares de polímeros são flexíveis e leves, e, portanto, adequadas para serem usadas em superfícies irregulares, como tetos dos veículos, paredes de edifícios e até em roupas.

Uma das saídas para obter o melhor dos dois mundos, juntando o rendimento das células solares de semicondutores com a flexibilidade e o baixo custo das células solares orgânicas, é juntar as duas, criando células solares híbridas.

Células solares híbridas

Nas células solares híbridas, uma mistura de dois materiais diferentes - um polímero e um óxido metálico - é utilizada para criar cargas elétricas em sua interface quando a mistura recebe os raios do Sol.

O grau de mistura dos dois materiais é essencial para eficiência da célula solar híbrida. Uma mistura perfeita aumenta a área da interface onde as cargas são geradas, mas ao mesmo tempo impede o transporte dessas cargas porque elas precisarão viajar um caminho mais longo e tortuoso. Domínios maiores - aglomerados de cada um dos componentes individuais - fazem exatamente o oposto.

A natureza química muito diferente dos polímeros e dos óxidos metálicos geralmente torna muito difícil controlar essa estrutura nanométrica.

Imagem 3D da célula solar

É por isto que torna-se tão importante visualizar a estrutura interna da célula solar depois que ela já está formada. A importância do grau de mistura entre os componentes foi claramente demonstrada agora por meio da visualização 3D do interior do material resultante.

Tradicionalmente, esse tipo de visualização tem sido extremamente difícil. Os pesquisadores encontraram uma saída utilizando tomografia eletrônica 3D, obtendo imagens em nanoescala com detalhes sem precedentes.

A partir dessas imagens os pesquisadores mediram as distâncias típicas entre os dois componentes ligados à eficiência da geração das cargas elétricas. Eles também analisaram os caminhos de percolação, ou seja, quanto de cada componente está de fato ligado ao eletrodo. Estas análises quantitativas da estrutura coincidiram perfeitamente com o desempenho observado das células solares.

Resultados práticos e caminhos futuros

Observando as imagens, os pesquisadores já encontraram um caminho para tentar otimizar a mistura dos compostos orgânicos e metálicos, obtendo um equilíbrio melhor entre a geração das cargas e o seu transporte.

A solução está em um composto precursor que se mistura com o polímero e somente é convertido em óxido metálico depois de ter sido incorporado na camada fotoativa da célula. Isto permitiu uma melhor mistura, resultando em que até 50% dos fótons absorvidos como cargas atinjam o circuito externo.

Ainda que estas células solares híbridas estejam entre as mais eficientes já relatadas até hoje, a sua eficiência na conversão da luz solar em energia é de apenas 2%, um número que deve ser melhorado muito para que elas possam se tornar realmente úteis.

Os cientistas acreditam que isso será possível pela melhoria do controle sobre a morfologia da mistura fotoativa. Por exemplo através da criação de polímeros capazes de interagir com o óxido metálico e com o desenvolvimento de polímeros ou moléculas que absorvam uma parte maior do espectro solar.

Somente então, as vantagens intrínsecas das células solares híbridas organo-metálicas, em termos de baixo custo e estabilidade térmica, poderão ser plenamente exploradas.