Foi descoberta uma forma de ultrapassar o limite fundamental de eficiência dos painéis solares.

Novo método permite converter a energia «excedente» da luz em portadores de carga adicionais, ultrapassando o limite clássico

Os investigadores propuseram uma forma de contornar uma das restrições fundamentais mais importantes da energia solar - o limite de Shockley–Queisser -, isto é, a eficiência teórica máxima de uma célula solar, que durante mais de 60 anos foi considerada o teto da eficiência dos fotoelementos.

Limite de Shockley–Queisser, células fotovoltaicas e divisão de singletos

As modernas placas solares funcionam com base em células fotovoltaicas, semicondutores que transformam luz em eletricidade. No entanto, mesmo em condições ideais, apenas conseguem aproveitar uma parte da energia da radiação solar. O máximo teórico é de 33%, enquanto as placas comerciais atingem normalmente cerca de 25%.

Esta limitação resulta da própria natureza da luz e da termodinâmica. A radiação solar contém um amplo espectro de energias, mas as células fotovoltaicas só conseguem converter com eficiência uma faixa estreita. Os fotões com energia insuficiente atravessam o material, ao passo que os mais energéticos perdem o excesso sob a forma de calor.

Num novo estudo, investigadores do Japão e da Alemanha propuseram uma maneira de utilizar a parte do espectro que antes era considerada «perdida». Trata-se da luz azul de alta energia, que, em condições normais, não é convertida em eletricidade de forma eficaz.

Os cientistas demonstraram que, ao incidir esse tipo de luz sobre um composto especial, é possível «dividir» a energia de um único fotão em duas excitações úteis. Com isso, alcançou-se uma eficiência de cerca de 130% - ou seja, por cada 100 fotões absorvidos, obtêm-se 130 portadores de energia.

O papel central neste processo pertence ao fenómeno da divisão de singletos. Este mecanismo permite que um único estado excitado dê origem a dois, aumentando assim o número de portadores de carga sem elevar o número de fotões absorvidos.

Para concretizar o método, foi utilizada a molécula orgânica tetraceno em combinação com o elemento metálico molibdénio. O tetraceno já tinha sido aplicado anteriormente para trabalhar com luz de alta energia, mas esses sistemas enfrentavam problemas de estabilidade e de funcionamento prolongado. Segundo os autores, a adição de molibdénio permitiu ultrapassar essas limitações.

Um dos autores do trabalho, o químico Yoichi Sasaki, da Universidade de Kyushu, observou que existem duas abordagens principais para contornar o limite de Shockley–Queisser. A primeira consiste em converter fotões infravermelhos de baixa energia em outros mais energéticos. A segunda recorre à divisão de singletos para obter duas excitações a partir de um fotão, precisamente o que foi realizado neste estudo.

A investigação continua, por enquanto, na fase laboratorial. Os resultados obtidos mostram que, em princípio, é possível contornar uma limitação fundamental, mas ainda falta bastante para chegar à aplicação prática em painéis solares comerciais.

Ainda assim, este é um dos passos mais relevantes rumo à revisão de um limite que durante muito tempo foi considerado inultrapassável. Se a tecnologia conseguir ser ampliada, poderá alterar a forma como os fotoelementos são concebidos e aumentar a eficiência da energia solar sem uma mudança radical da sua arquitetura básica.