Falando em ciência do professor Hanington: recorde de 19,3% de eficiência com célula solar de plástico

May 08, 2023

À medida que nossas fontes de energia se afastam dos combustíveis fósseis em direção a fontes mais ecológicas, a busca por células solares de baixo custo que possam alimentar uma casa ou recarregar um veículo elétrico (ou colocar eletricidade em algum tipo de rede onde você pode recuperar financeiramente mais tarde it) está acontecendo com crescente fervor.

Apenas esta semana, um grande salto na eficiência energética foi anunciado para células solares orgânicas. Conforme publicado na Nature Communications, uma equipe liderada pelo professor Li Gang, da Universidade Politécnica de Hong Kong, anunciou um método de fabricação de uma célula solar de polímero com eficiência energética de quase 20%. Isso vem logo atrás da melhor célula solar de silício do mundo real até hoje, aquela desenvolvida pela Kaneka Corporation, que registrou uma eficiência de conversão de 26,7%. Aquele, composto de matriz de cristal único especial, é muito caro de fabricar em oposição ao tipo de polímero que pode ser facilmente fabricado por material de rodo em um substrato adequado. Isso foi em 2016 e ainda detém o recorde.

Para entender como a equipe de Hong Kong conseguiu tal façanha, precisamos recuar um pouco e repassar rapidamente os conceitos envolvidos na transformação da luz do sol em energia. Embora a primeira demonstração do efeito fotovoltaico, por Edmond Becquerel em 1839, tenha usado uma célula eletroquímica, provavelmente o tipo com o qual estamos mais familiarizados é uma célula de silício, o padrão usado para lâmpadas de jardim recarregáveis ​​e calculadoras. Estes são todos dispositivos de silício porque a tecnologia deste elemento é bem conhecida, tendo mais de setenta anos.

A célula solar de silício é feita de duas camadas internas, uma chamada tipo P e a outra tipo N. O silício do tipo P é produzido pela adição de átomos - como boro ou gálio - que têm um elétron a menos em seu nível de energia externa do que o silício. Como o boro tem um elétron a menos do que o necessário para formar as ligações com os átomos de silício circundantes, uma lacuna de elétron ou "buraco" é criada.

O silício do tipo n é feito incluindo átomos que possuem um elétron a mais em seu nível externo do que o silício, como o fósforo. O fósforo tem cinco elétrons em seu nível de energia externo, não quatro. Embora o silício tenha quatro elétrons, ele se liga facilmente ao boro ou ao fósforo na estrutura cristalina. Mas como o fósforo tem aquele elétron extra, o cristal é levemente carregado negativamente porque esse elétron não está envolvido na ligação e, em vez disso, é livre para se mover dentro da estrutura de silício. Torna-se um portador de carga. Da mesma forma na região dopada com boro. O "buraco" formado ali - na verdade, uma ligação ausente - pode atuar como um portador de carga também porque a ligação ausente pode se mover e agir como uma entidade positiva. Quando uma região N é colocada próxima a uma região P, alguns desses elétrons e buracos extras se encontram novamente e uma região de depleção se forma, sem essas cargas móveis.

Mas aqui está a parte interessante sobre essa zona de depleção de terra de ninguém: como os átomos de boro e fósforo permanecem parados, o lado do tipo N da zona de depleção agora contém íons carregados positivamente (dos átomos de fósforo) e o lado P agora contém íons carregados negativamente (dos átomos de boro), e isso cria um campo elétrico interno que impede uma maior mistura dos elétrons e buracos. Mas quando a luz solar atinge a junção PN, os elétrons no silício são ejetados, formando "buracos". Quando isso acontece no campo elétrico da região de depleção, o campo moverá elétrons para a camada do tipo n e buracos para a camada do tipo p.

Se você conectar as regiões externas das camadas tipo n e tipo p com um fio metálico, os elétrons viajarão, criando um fluxo de eletricidade. Uma célula típica de cristal de silício gera cerca de 0,6 volts sob luz solar forte e pode fornecer 1 Ampère de corrente para uma célula da área de um telefone celular típico. Para obter uma tensão mais alta, basta colocar muitas células em série. O custo médio por watt para uma célula solar monocristalina é de cerca de US$ 1.

Quando você olha para o topo da célula solar cinza, pode ver até a junção PN, onde todas as ações acima ocorrem.