Projeto de célula solar 2D promete 12,87% de eficiência

Da pv magazine Global

Um grupo de pesquisadores da Universidade da Pensilvânia, nos Estados Unidos, projetou uma célula solar 2D baseada em dicalcogenetos de metais de transição (TMDCs) com uma estrutura especial de superrede que supostamente permite níveis mais altos de absorção solar.

Os TMDCs são materiais bidimensionais – formados por camadas únicas de átomos – com notáveis propriedades semicondutoras e altos coeficientes de absorção ótica, o que os torna adequados para a fabricação de células solares semitransparentes e flexíveis. Têm aplicações potenciais na indústria aeroespacial, arquitetura, veículos elétricos e eletrônicos vestíveis, onde peso leve, uma alta relação de potência por peso e flexibilidade são muito desejáveis.

“Acho que as pessoas estão lentamente percebendo que os TMDCs 2D são excelentes materiais fotovoltaicos, embora não para aplicações terrestres, mas para aplicações móveis – mais flexíveis, como aplicações baseadas no espaço”, disse o principal autor Deep Jariwala. “O peso das células solares 2D TMDC é 100 vezes menor do que as células solares de silício ou arsenieto de gálio, então, de repente, essas células se tornam uma tecnologia muito atraente.”

Os cientistas construíram a célula com um absorvedor monocamada feito de dissulfeto de molibdênio (MoS2), um isolante de 3 nm à base de óxido de alumínio (Al2O3) colocado sobre um substrato feito de Al2O3 e ouro (Au), este último servindo como refletor. “A espessura da camada de Al2O3 foi otimizada para melhorar a geração de fotocarreadores”, explicaram. “A camada ativa do dispositivo é intrínseca e tem 0,98 μm de comprimento, com cátodo de prata e ouro e eletrodos de ânodo medindo 0,01 μm de comprimento cada.”

Segundo os pesquisadores, a novidade dessa célula consiste em sua estrutura de superrede, que, segundo eles, pode separar as camadas de TMDCs 2D por um espaçador ou camada não semicondutora. “Espaçar as camadas permite que você reflita a luz muitas e muitas vezes dentro da estrutura da célula, mesmo quando a estrutura da célula é extremamente fina”, disse Jariwala, observando que a célula mostra grandes energias de ligação do exciton.

Quando testado em uma série de simulações, o projeto de célula proposto com contatos separados foi capaz de atingir uma eficiência de conversão de energia de 12,87%. Como forma de comparação, células solares TMDC 2D reais foram até agora capazes de atingir eficiências de até 6%.

“Não esperávamos que células tão finas tivessem um valor de 12%. Dado que as eficiências atuais são inferiores a 5%, minha esperança é que nos próximos 4 a 5 anos as pessoas possam realmente demonstrar células com 10% ou mais de eficiência”, afirmaram os pesquisadores.

Eles descreveram a nova tecnologia celular no artigo “How good can 2D excitonic solar cells be?” publicado na Device. “Nossas descobertas indicam que foto 2D baseados em TMDC, quando otimizados para design óptico e eletrônico, exibem desempenho superior em comparação com outros materiais de película fina em termos de densidade de potência, o que é vital para muitas aplicações, como aeroespacial, sensoriamento remoto e tecnologia vestível”, concluíram.