Tecnologia solar: Sistema inovador capta luz com eficiência inédita

Redação do Site Inovação Tecnológica - 19/07/2024

As fórmulas estruturais dos quatro corantes de merocianina (esquerda). Quando empilhadas, elas formam o novo sistema de coleta de luz URPB (direita).
[Imagem: Alexander Schulz/University of Wuerzburg]

Células solares orgânicas

Para converter a luz solar em eletricidade ou outras formas de energia do modo mais eficiente possível, o primeiro passo é contar com um sistema eficiente de captação de luz. Em termos ideais, ele deveria ainda ser pancromático, ou seja, absorver todo o espectro da luz visível.

As antenas coletoras de luz das plantas e bactérias são um modelo para isso: Elas capturam um amplo espectro de luz para a fotossíntese, mas têm estruturas muito complexas e requerem muitos corantes diferentes para transmitir a energia da luz absorvida e focalizá-la em um ponto central, o que torna quase inviável reproduzir todo o sistema de modo sintético.

Os sistemas de captação de luz desenvolvidos pelos humanos também apresentam desvantagens: Embora os semicondutores inorgânicos, como o silício, sejam pancromáticos, eles absorvem luz apenas fracamente. Para absorver energia luminosa suficiente, são necessárias camadas muito espessas de silício, na faixa dos micrômetros, tornando as células solares relativamente volumosas e pesadas.

Os corantes orgânicos adequados para as células solares são muito mais finos: A espessura de sua camada é de apenas cerca de 100 nanômetros. Esta tecnologia é conhecida por vários nomes, como células solares orgânicas, células de Gratzel, células solares sensibilizadas por corantes, DSCs, células solares de plástico etc.

No entanto, elas mal conseguem absorver uma ampla faixa espectral e, portanto, não são particularmente eficientes, embora sejam muito atrativas por serem flexíveis e muito baratas.

A antena leva as células solares orgânicas a um novo patamar.
[Imagem: Alexander Schulz et al. - 10.1016/j.chempr.2024.05.023]

Antena de luz eficiente

Pesquisadores da Universidade de Wurzburg, na Alemanha, apresentaram agora um sistema inovador de captação de luz que difere significativamente dos sistemas anteriores, prometendo um novo impulso às células solares orgânicas.

"Nosso sistema tem uma estrutura de banda semelhante à dos semicondutores inorgânicos. Isso significa que ele absorve luz pancromaticamente em toda a faixa visível. E ele usa os altos coeficientes de absorção dos corantes orgânicos. Como resultado, ele consegue absorver uma grande quantidade da energia da luz em uma camada relativamente fina, semelhante aos sistemas naturais de captação de luz," disse o professor Frank Wurthner.

Em termos mais simples, a antena de captação de luz inovadora consiste em quatro corantes diferentes de merocianina, que são dobrados e então empilhados, formando o que é essencialmente uma antena que capta luz. O elaborado arranjo das moléculas permite que os elétrons fluam de modo ultrarrápido e eficiente, transferindo muita energia.

Os pesquisadores deram ao protótipo do novo sistema de coleta de luz o nome de URPB. As letras representam os comprimentos de onda da luz que são absorvidos pelos quatro componentes corantes da antena: U para ultravioleta, R para vermelho (red), P para roxo (purple), B para azul (blue).

A antena de luz converte 38% da energia luminosa irradiada em uma ampla faixa espectral em fluorescência - os quatro corantes por si só, por outro lado, conseguem lidar com apenas entre 1-3% da luz. A combinação certa e o arranjo espacial das moléculas de corante na pilha, portanto, fazem uma grande diferença, o que deverá inspirar outras equipes a aprimorar seus próprios projetos de antenas orgânicas de luz.

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