Células solares orgânicas: transformação de luz em eletricidade explicada

O princípio de funcionamento de uma célula solar orgânica é o seguinte: entre 2 eletrodos ou "extratores de corrente" se encontram duas substâncias não miscíveis: a primeira (quase sempre um polímero) libera elétrons quando absorve luz; a outra (fulereno) capta os elétrons e os dirige para o extrator correspondente (catodo), o que permite a circulação da corrente. A separação de carga não funciona a não ser em condições muito precisas.

"Conforme os conhecimentos atuais, as cargas positivas e negativas produzidas pela luz, sempre ordenadas aos pares, são de fato difíceis de separar porque se atraem", explica V. Dyakonov. Todavia, quando o polímero absorve a luz, há a produção de "excitons": a nuvem de elétrons que gira em torno de uma molécula modifica sua forma, o que, seguida de deslocamentos de carga, conduz à formação de um par "elétron-buraco".

C. Deibel estudou o modo como o elétron pode se liberar definitivamente. Com o auxílio de medidas de rendimento quântico e de espectroscopia de fotoluminescência, analisou camadas de 20 a 30 nanômetros de espessura de materiais orgânicos nas células solares e, assim, determinou a energia necessária para separar as cargas. Depois disso, fez a modelagem computacional do deslocamento complexo dos pares de carga nas células solares polímero-fulereno, e encontrou condições efetivas, nas quais o resultado teórico e o resultado experimental concordam.

"O procedimento não funciona em seu conjunto a não ser que o polímero possua um comprimento mínimo", explica Deibel. Somente neste caso o elétron superficial pode se desligar do fulereno e migrar para o catodo ao longo das cadeias de carbono. Ao contrário, a lacuna do exciton permanece no polímero e desliza ao longo dessa cadeia em direção ao anodo. 

"Demonstramos que um portador de carga que se encontra sobre o segmento de uma cadeia de polímero é, na mesma proporção, menos atraído pela outra carga, quanto mais longo o segmento", disse V. Dyakonov, um dos autores do trabalho. Além disso, nessas condições, os portadores de carga podem se deslocar mais rápido ao longo da cadeia de polímeros que sobre os segmentos curtos. A conjunção desses dois efeitos permite a separação muito eficaz do par de carga.

As simulações realizadas por C. Deibel revelam, assim, uma multiplicação por dez da corrente fotoelétrica, quando o comprimento dos segmentos das cadeias de polímeros é aumentado de 1 a 10 nm. 10 nm é um comprimento típico dos semicondutores poliméricos utilizados nas células fotovoltaicas orgânicas. "Nossos resultados explicam, assim, a razão pela qual as melhores células solares polímero-fulereno atuais permitem uma transformação tão eficiente da luz em eletricidade", afirma V. Dyakonov.

Carsten Deibel (à esquerda) e Vladimir Dyakonov. - Créditos: Gunnar Bartsch.

O Ministério Federal de Ensino e Pesquisa (BMBF) colocou à disposição 60 milhões de euros (cerca de 156 milhões de reais) para projetos de pesquisa em "fotovoltaica orgânica" e 300 milhões de euros (cerca de 880 milhões de reais) suplementares deverão provir de sociedades privadas. Dyakonov e Deibel trabalham no âmbito do projeto "Influência dos Contatos e Interfaces Internas sobre os Parâmetros Macroscópicos das Células Fotovoltaicas Orgânicas". Ao lado da Universidade de Wurtzburg, o Centro de Pesquisa Energética Aplicada da Baviera (ZAE) está igualmente engajado.

As células orgânicas, entretanto, não são ainda susceptíveis de transformar a luz do sol em eletricidade, com a mesma eficiência que seus concorrentes contendo silício: enquanto estes últimos atingem um rendimento de cerca de 30%, as células orgânicas conseguem somente um rendimento de 6%. Suas vantagens residem em: transparência - instalação em edifícios para deixar passar a luz; flexibilidade - para uma aplicação portátil (mochilas, recarga de baterias de telefone celular); facilidade de produção - máquinas de impressão podem aplicar as substâncias sobre um material de preço não elevado e custos reduzidos em comparação com as células de silício.

Enerzine (Tradução - MIA).

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