Célula solar de bismuto pode driblar limite de eficiência da energia solar

Pesquisadores da Universidade de Oxford, no Reino Unido, descreveram um novo semicondutor que contorna uma limitação básica dos materiais usados para captar luz solar. A equipe, liderada por Marcello Righetto e pela professora Laura Herz, identificou no sulfeto de bismuto (Bi 2 S 3) um comportamento que permite absorver luz com intensidade e, ao mesmo tempo, manter as cargas elétricas por mais tempo. O estudo foi divulgado pelo portal Inovação Tecnológica, que não informa a data da publicação original.

O problema que a equipe tentou resolver é antigo na fotovoltaica. Numa célula solar, o semicondutor absorve fótons e libera elétrons, deixando para trás lacunas, que são cargas positivas. Para gerar corrente, essas cargas precisam ser coletadas antes que um elétron e uma lacuna se encontrem e se anulem, processo conhecido como recombinação. O impasse é que os materiais que mais absorvem luz costumam perder essas cargas mais depressa, o que reduz a eletricidade gerada.

Uma segunda via de energia

O sulfeto de bismuto tem uma estrutura de níveis de energia pouco comum. Ele absorve luz principalmente por uma via forte entre dois níveis, mas logo abaixo, em energia, existe uma segunda via, muito mais fraca. Nela, as cargas ficam retidas por mais tempo. Como as duas vias estão muito próximas, as cargas passam boa parte do tempo nesse estado de energia mais baixo, que funciona como um reservatório temporário e atrasa a recombinação.

A equipe chama essa configuração de "semicondutor pseudo-direto". Pelos cálculos dos pesquisadores, à temperatura ambiente, ela reduz a taxa de perda de cargas em cerca de 75% em comparação com semicondutores que absorvem luz com a mesma intensidade. Trata-se de uma estimativa teórica. A fonte não informa medições em célula montada.

O que muda para a fotovoltaica

Para o projeto de células solares, a vantagem aparece em duas frentes. Cargas que duram mais têm mais chance de chegar aos eletrodos, o que pode diminuir uma das perdas fundamentais da conversão, sem abrir mão da forte absorção de luz. Além disso, cargas com maior duração dão mais tempo para reações químicas que transformam a luz solar em combustíveis e outros compostos, uso que a reportagem também cita.

Laura Herz afirmou que o achado importa menos pela melhoria de uma propriedade já conhecida e mais por revelar um mecanismo diferente de comportamento dos semicondutores. Segundo ela, a compreensão desse mecanismo oferece um roteiro para buscar e projetar outros materiais com propriedades semelhantes.

Os cálculos da equipe também sugerem que outros materiais podem apresentar a mesma propriedade. Esses candidatos poderiam ser encontrados em bancos de dados de materiais ou produzidos por engenharia, segundo a fonte.

Para o engenheiro que acompanha o setor, o próximo passo é o que decide o alcance do achado. O princípio foi demonstrado em cálculos, e a fonte diz que ainda será preciso construir células solares reais com o novo semicondutor. Até lá, não há dado de eficiência de dispositivo, custo ou prazo de industrialização para comparar com o silício.