Células solares feitas de polímeros têm o potencial de serem baratas e leves, mas os cientistas estão lutando para fazê-las gerar eletricidade de maneira eficiente.
Um polímero é um tipo de molécula grande que forma plásticos e outros materiais conhecidos.
"O campo é um pouco imaturo-lo está na fase de infância", diz Luping Yu, professor de química na Universidade de Chicago.
Agora, uma equipe de pesquisadores liderada por Yu identificou um novo polímero que permite que cargas elétricas se movam mais facilmente através da célula, aumentando a produção de eletricidade.
"As células solares de polímero têm um grande potencial para fornecer dispositivos eletrônicos de baixo custo, leves e flexíveis para a coleta de energia solar", diz Luyao Lu, um estudante de pós-graduação em química e principal autor de um artigo na revista. Nature Photonics que descreve o resultado.
As regiões ativas de tais células solares são compostas por uma mistura de polímeros que fornecem e recebem elétrons para gerar corrente elétrica quando expostos à luz. O novo polímero desenvolvido pelo grupo de Yu, chamado PID2, melhora a eficiência da geração de energia elétrica em 15 por cento quando adicionado a uma mistura padrão de polímero-fulereno.
“O fulereno, uma pequena molécula de carbono, é um dos materiais padrão usados nas células solares de polímeros”, diz Lu. "Basicamente, nas células solares de polímero, temos um polímero como doador de elétrons e fulereno como receptor de elétrons para permitir a separação de carga".
Em seu trabalho, os pesquisadores adicionaram outro polímero ao dispositivo, resultando em células solares com dois polímeros e um fulereno.
Eficiência Percentual 8.2
O grupo alcançou uma eficiência de 8.2 por cento quando uma quantidade ideal de PID2 foi adicionada - a mais alta de todas as células solares feitas de dois tipos de polímeros com fulereno - e o resultado indica que eficiências ainda mais altas poderiam ser possíveis com trabalhos futuros.
O grupo, que inclui pesquisadores do Laboratório Nacional Argonne, está agora trabalhando para aumentar a eficiência em relação ao 10 por cento, uma referência necessária para que as células solares de polímero sejam viáveis para aplicações comerciais.
O resultado foi notável não apenas por causa do avanço das capacidades técnicas, observa Yu, mas também porque o PID2 aumentou a eficiência através de um novo método. O mecanismo padrão para melhorar a eficiência com um terceiro polímero é aumentando a absorção de luz no dispositivo.
Como funciona
Mas, além desse efeito, a equipe descobriu que, quando o PID2 era adicionado, as cargas eram transportadas mais facilmente entre os polímeros e por toda a célula.
Para que uma corrente a ser gerada pela célula solar, os electrões devem ser transferidos a partir de polímero de fulereno no interior do dispositivo. Mas a diferença entre os níveis de energia de elétrons para o polímero-fulereno padrão é grande o suficiente para que a transferência de elétrons entre eles é difícil. PID2 tem níveis de energia entre os outros dois, e atua como um intermediário no processo.
"É como um passo", diz Yu. "Quando é muito alto, é difícil subir, mas se você colocar no meio outro passo, pode subir facilmente."
A adição de PID2 fez com que a mistura de polímeros formasse fibras, o que melhora a mobilidade de elétrons em todo o material. As fibras servem como um caminho para permitir que os elétrons viajem para os eletrodos nas laterais da célula solar.
“É como se você estivesse gerando uma rua e alguém que estivesse viajando ao longo da rua pudesse encontrar um caminho para ir desse lado para o outro”, explica Yu.
Para revelar essa estrutura, Wei Chen, da Divisão de Ciência de Materiais do Argonne National Laboratory e do Instituto de Engenharia Molecular, realizou estudos de espalhamento de raios X usando a Advanced Photon Source em Argonne e a Advanced Light Source em Lawrence Berkeley.
"Sem isso, é difícil ter uma visão sobre a estrutura", diz Yu. "Isso nos beneficia tremendamente."
“Esse conhecimento servirá de base para o desenvolvimento de dispositivos fotovoltaicos orgânicos de alta eficiência para atender às necessidades futuras de energia do país”, acrescenta Chen.
Fonte: Universidade de Chicago
Estudo original
Sobre o autor
Emily Conover é uma escritora de ciências com experiência em física e astronomia. Ela escreve para a University of Chicago News Office, e seu próprio blog de ciências pessoais, Weak Interactions, e está disponível para ciência freelance ou redação técnica.
Declaração de Divulgação: A National Science Foundation, o Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea e o Departamento de Energia dos EUA financiaram a pesquisa.
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