Novo método transforma energia da luz “excedente” em portadores de carga extras e supera o limite de Shockley–Queisser

Novo método permite transformar energia da luz “excedente” em portadores de carga adicionais, acima do limite clássico

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

Os painéis solares atuais funcionam com base em elementos fotovoltaicos, isto é, semicondutores que convertem luz em eletricidade. Mesmo em condições ideais, porém, essas células conseguem aproveitar apenas uma fração da energia da radiação solar. O máximo teórico é de 33%, enquanto painéis comerciais, em geral, chegam a cerca de 25%.

Essa restrição decorre tanto da natureza da luz quanto da termodinâmica. A luz do Sol cobre um espectro amplo de energias, mas os fotoelementos convertem com boa eficiência apenas uma faixa relativamente estreita. Fótons com energia insuficiente atravessam o material sem gerar eletricidade, e fótons mais energéticos acabam dissipando o “excesso” como calor.

Como a nova abordagem aproveita a parte do espectro antes “perdida”

No novo estudo, cientistas do Japão e da Alemanha propuseram uma maneira de explorar justamente a região do espectro que era tratada como “perdida”. O foco está na luz azul de alta energia, que, em condições convencionais, não é convertida de forma eficiente em eletricidade.

Eles demonstraram que, ao incidir esse tipo de luz sobre um composto específico, é possível “dividir” a energia de um único fóton em duas excitações úteis. Com isso, a eficiência alcançada ficou em torno de 130% - ou seja, para cada 100 fótons absorvidos, obtiveram-se 130 portadores de energia.

Divisão singlete e o limite de Shockley–Queisser

O mecanismo central é o fenômeno chamado divisão singlete. Ele permite que um estado excitado gere dois estados excitados, elevando a quantidade de portadores de carga sem que aumente o número de fótons absorvidos.

Para colocar o método em prática, a equipe utilizou a molécula orgânica tetraceno em combinação com o elemento metálico molibdênio. O tetraceno já havia sido usado anteriormente em sistemas voltados para a luz de alta energia, mas essas abordagens costumavam enfrentar problemas de estabilidade e de operação prolongada. Segundo os autores, a adição de molibdênio ajudou a superar essas limitações.

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 é converter fótons infravermelhos de baixa energia em fótons mais energéticos. O segundo é empregar a divisão singlete para obter duas excitações a partir de um único fóton - exatamente a via explorada neste trabalho.

Estágio atual do estudo

Por enquanto, a pesquisa permanece em fase de laboratório. Os resultados obtidos indicam que, em princípio, é possível contornar essa limitação fundamental, mas ainda existe uma grande distância até a adoção prática em painéis solares comerciais.

Ainda assim, trata-se de um dos avanços mais relevantes rumo à reavaliação de um limite que por muito tempo foi visto como intransponível. Caso a tecnologia consiga ser escalonada, ela pode influenciar a forma de projetar fotoelementos e elevar a eficiência da energia solar sem exigir uma mudança radical na arquitetura básica desses dispositivos.