O MIT Pode Ter Descoberto a Célula Solar Perfeita

Um novo estudo do MIT propõe uma solução a um dos problemas mais vexatórios da energia solar: a questão da eficiência, e o mero fato de que grande parte da luz solar disponível é desperdiçada em esquemas de energia solar. Os pesquisadores parecem ter encontrado a chave para a conversão perfeita de energia solar — ou pelo menos algo próximo a isso. É um novo material, capaz de receber luz de vários ângulos e suportar as altas temperaturas necessárias para um esquema de eficiência máxima.

Células solares convencionais, painéis de silício usados na maioria das aplicações a consumidores finais, estão longe da perfeição. A luz do sol chega à superfície da Terra de diversas formas. Essas formas — ou comprimentos de onda — incluem a luz visível que compõe nossa realidade cotidiana, além de pedaços significativos de luz invisível (ao olho humano), isto é, raios ultravioletas e infravermelhos. O padrão atual de células solares focam basicamente em apenas uma extensão delimitada de luz visível.

Isso faz sentido porque a luz visível é a forma mais intensa de luz que alcança a superfície terrestre. Muitas outras formas, como microondas e raios-X, acabam bloqueadas pela atmosfera do planeta, mas, ainda assim, o espectro completo que chega à Terra vai além do que chamamos de "banda proibida". Banda proibida é a extensão de frequências em que um material é capaz de converter energia solar em energia elétrica.

É um atributo de células solares fotovoltáicas em particular. Nesse esquema, fótons, os transportadores da força eletromagnética, que geralmente chamamos de "luz", colidem com átomos em algum material. A colisão dá força extra aos átomos, que respondem vertendo elétrons. Todos esses életrons formam uma corrente — eletricidade. É uma maneira brilhante de colher energia, mas, atualmente, está aquém de seu potencial.

Não é muito prático construir materiais capazes de "colher" fótons em todas as energias. É que não é uma interação genérica — nem todo fóton é capaz de simplesmente explodir um certo tipo de átomo para jorrar elétrons. O material é sintonizado para apenas uma extensão específica de fótons em curso, e o restante se dissipa em forma de calor, em vez de corrente elétrica.

Poderíamos empilhar diversos materiais solares em sanduíches compactos, com cada camada capturando diferentes tipos de fótons, mas isso rapidamente fica caro demais. A banda proibida não passa de um limite fundamental.

No entanto, há outras maneiras de capturar fótons, além do efeito fotovoltáico, e é aqui que o novo esquema do MIT entra. É uma alternativa promissora conhecida como processo termofotovoltáico-solar. Em vez de converter energia solar diretamente em corrente, esses materiais transformam toda ela em calor.

O processo termofotovoltáico aproveita o fenômeno diário da emissão térmica. Basicamente, qualquer material que esquente e passe do zero absoluto emitirá algum nível de radiação (fótons), porque tudo acima do zero absoluto contém um movimento de partículas carregadas, movimento esse que ocorre à medida que quantias crescentes de energia (como o calor) aumentam a energia cinética das partículas do material. Sirva aos elétrons doses cavalares de cafeína (calor), que eles vão começar a tremer e suar fótons em forma de radiação.

O legal de um elemento termofotovoltáico é que ele pode absorver uma série de comprimentos de ondas solares diferentes e convertê-los em apenas um, que então pode ser convertido em corrente por um elemento fotovoltáico padrão. Esse esquema está ilustrado acima.

O problema dos processos termofotovoltáicos é que, para serem devidamente eficientes, precisam da adição de concentradores de luz solar — por exemplo, aqueles grandes conjuntos de espelhos que focam luz solar numa só localização. Tudo bem, mas concentração significa grandes quantias de calor e também a necessidade de mirar essa luz em um certo local. Até surgir um material que suporte grandes quantias de energia de calor, processos termofotovoltáicos não conseguirão vencer os padrões fotovoltáicos.

A equipe do MIT, liderada pelo pesquisador pós-doc Jeffrey Chou, sugere um novo "cristal fotônico dielétrico, bidimensional", como a solução. O cristal deles é capaz de absorver luz de uma extensa variedade de ângulos — o que significa que um sistema de concentração de luz solar não precisa ter um componente de rastreamento do sol — e pode suportar temperaturas de até 980 graus Celsius por até 24 horas por vez.

Para alcançar eficiência máxima, um material termofotovoltáico precisa ser capaz de prender e segurar porções máximas de energia solar. Isso significa ter um espectro muito bem ajustado de absorção de luz solar e emissão de fótons térmicos.

Imagine um daqueles baldes de coletar chuva que as pessoas prendem às calhas, com uma saída de água que pode ser usada para regar um jardim ou algo assim. Se a saída de água for muito pequena, ou muito grande, o balde irá secar, deixando o jardim na secura, ou transbordar, desperdiçando água. É um processo semelhante, só que as entradas e saídas são mediadas em espectros.

Claro, construir um balde para energia solar não é bem uma questão de canos e plásticos. Encontrar um material que possa fazer tudo isso e produzir energia de forma barata, usando métodos já existentes, até agora parece uma empreitada ilusória.

"É o primeiro aparelho desse tipo da história capaz de ser fabricado com um método baseado em… técnicas de corrente", disse Chaud em uma declaração feita pelo MIT, "o que significa que pode ser manufaturado na mesma escala de pastilhas de silício."

Quase todos os metais que podem suportar as temperaturas necessárias servem, mas a chave para fazer o processo funcionar é a maneira como o material é fabricado. O segredo do sucesso de Chou e sua equipe está em encher o material termofotovoltáico de cavidades em nanoescala, que então são preenchidas com algum material facilmente polarizado. As nanocavidades proporcionam um aperfeiçoamento das propriedades de emissão e absorção do material.

O resultado final, segundo o artigo, que acabou de ser publicado na revista Advanced Materials, tem uma "larga escala, custos baixos e conversão eficiente de energia termo-solar" — talvez o primeiro do gênero. Chou estima que o processo poderia ser disponibilizado para comercialização em cinco anos.

Tradução: Stephanie Fernandes