As células solares convencionais têm uma eficiência quântica externa máxima (EQE) de 100%: para cada fóton incidente na célula, elas geram um elétron fotoexcitado. Nos últimos anos, os cientistas têm procurado melhorar isto, desenvolvendo materiais que “liberam” mais de um elétron para cada fóton que absorvem. Uma equipe liderada pelo físico Chinedu Ekuma of Lehigh University nos EUA já alcançou esse objetivo, produzindo um material com um EQE de até 190% – quase o dobro das células solares de silício.

A equipe fez o novo composto inserindo átomos de cobre entre camadas atomicamente finas de seleneto de germânio (GeSe) e sulfeto de estanho (SnS). O material resultante tem a fórmula química Cu_xGeSe/SnS, e os pesquisadores o desenvolveram aproveitando as chamadas lacunas de van der Waals. Essas lacunas atomicamente pequenas existem entre camadas de materiais bidimensionais e formam “bolsas” nas quais outros elementos podem ser inseridos (ou “intercalados”) para ajustar as propriedades do material.

Estados de bandgap intermediários

Os pesquisadores de Lehigh atribuem o aumento do EQE do material à presença de estados intermediários de bandgap. Esses níveis distintos de energia eletrônica surgem dentro da estrutura eletrônica do material de uma forma que lhes permite absorver a luz de forma muito eficiente em um amplo espectro de comprimentos de onda de radiação solar. No novo material, esses níveis de energia existem em torno de 0.78 e 1.26 elétron-volts (eV), que estão dentro da faixa na qual o material pode absorver a luz solar com eficiência.

O material funciona particularmente bem nas regiões infravermelhas e visíveis do espectro eletromagnético, produzindo, em média, quase dois portadores de carga fotoexcitados (elétrons e buracos ligados em quasipartículas conhecidas como excitons) para cada fóton incidente. De acordo com Ekuma, esses materiais de “geração de múltiplos excitons” podem servir como camada ativa dentro de dispositivos de células solares, onde seu desempenho é fundamentalmente governado pela física dos excitons. “Essa camada ativa é crucial para aumentar a eficiência da célula solar, facilitando a geração e o transporte de excitons no material”, explica Ekuma.

Mais pesquisas são necessárias para dispositivos práticos

Os pesquisadores usaram modelos computacionais avançados para otimizar a espessura da camada fotoativa do material. Eles calcularam que seu EQE pode ser aprimorado garantindo que ele permaneça fino (no chamado limite quase 2D) para evitar perdas por confinamento quântico. Este é um fator chave que afeta a geração e o transporte eficientes de excitons através de um processo conhecido como recombinação não radiativa, no qual elétrons e buracos têm tempo para se recombinar em vez de serem separados para produzir corrente útil, explica Ekuma. “Ao manter o confinamento quântico, preservamos a capacidade do material de converter efetivamente a luz solar absorvida em energia elétrica e operar com eficiência máxima”, diz ele.

Embora o novo material seja um candidato promissor para o desenvolvimento de células solares de alta eficiência e de próxima geração, os investigadores reconhecem que serão necessárias mais pesquisas antes que possa ser integrado nos sistemas de energia solar existentes. “Estamos agora explorando ainda mais esta família de materiais intercalados e otimizando sua eficiência por meio de vários processos de engenharia de materiais para esse fim”, disse Ekuma. Mundo da física.

O estudo é detalhado em Os avanços da ciência.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/new-photovoltaic-2d-material-breaks-quantum-efficiency-record/