A energia solar desempenha um papel importante nos esforços para reduzir a dependência dos combustíveis fósseis e combater as alterações climáticas. O Sol fornece uma enorme quantidade de energia à Terra a cada momento, mas as células solares modernas capturam apenas uma fração dela. Esta limitação deve-se a um “teto físico” de longa data que é difícil de superar.
Publicado em pesquisa Jornal da Sociedade Química Americana Em 25 de março, cientistas da Universidade Kyushu do Japão, trabalhando com colaboradores da Universidade Johannes Gutenberg (JGU) Mainz da Alemanha, desenvolveram uma nova forma de superar esta barreira. Eles usam um complexo metálico à base de molibdênio conhecido como emissor “spin-flip” para capturar o excesso de energia gerado pela fissão singlete (SF), frequentemente descrita como uma “tecnologia dos sonhos” para melhorar a conversão de luz.
Com esta abordagem, a equipa alcançou uma eficiência de conversão energética de cerca de 130%, ultrapassando o limite tradicional de 100% e apontando para uma tecnologia solar mais avançada.
Como funcionam as células solares e por que a energia é perdida
As células solares geram eletricidade quando os fótons da luz solar atingem um semicondutor e transferem energia para os elétrons, movendo-os e criando uma corrente elétrica. Este processo pode ser comparado a uma bobina, onde a energia é transmitida de uma partícula para outra.
No entanto, nem todos os fótons são igualmente úteis. Os fótons infravermelhos de baixa energia não têm energia suficiente para ativar os elétrons, enquanto os fótons de alta energia, como a luz azul, perdem o excesso de energia na forma de calor. Por causa disso, as células solares podem usar cerca de um terço da luz solar recebida. Esta limitação é conhecida como limite de Shockley-Queisser e continua a ser um grande desafio.
A fissão singlete oferece uma maneira de multiplicar a energia
“Temos duas estratégias principais para quebrar esse limite”, disse Yoichi Sasaki, professor associado da Faculdade de Engenharia da Universidade de Kyushu. “Uma é converter fótons infravermelhos de baixa energia em fótons visíveis de alta energia. A outra, que exploramos aqui, é usar SF para criar dois excitons a partir de um único fóton de exciton.”
Em condições normais, cada fóton produz apenas um exciton spin-singuleto após excitação. Com SF, este exciton singleto pode se dividir em dois excitons spin-tripleto de menor energia, efetivamente duplicando a energia disponível. Embora alguns materiais como o tetraceno possam suportar este processo, a captura eficiente destes excitons tem se mostrado difícil.
Superando a perda de energia do FRET
“A energia pode ser facilmente ‘roubada’ através de um processo chamado transferência de energia de ressonância de Förster (FRET) antes que ocorra a multiplicação”, explica Sasaki. “Portanto, precisávamos de um aceitador de energia que captasse seletivamente os excitons triplos multiplicados após a fissão.”
Para combater esse problema, os pesquisadores recorreram a complexos metálicos, que podem ser projetados com precisão. Eles identificaram um emissor “spin-flip” baseado em molibdênio como uma solução viável. Neste sistema, um elétron muda seu spin durante a absorção ou emissão de luz infravermelha próxima, permitindo-lhe capturar a energia tripla gerada pelo SF.
Ao ajustar cuidadosamente os níveis de energia, a equipe minimizou as perdas do FRET e permitiu a extração eficiente de múltiplos excitons.
Colaboração e sucesso experimental
“Não teríamos chegado a este ponto sem o Grupo Heinze da JGU Mainz”, diz Sasaki. Adrian Sauer, estudante de pós-graduação do grupo de intercâmbio da Universidade de Kyushu e segundo autor do artigo, chamou a atenção da equipe para um material há muito estudado ali, que levou à colaboração.
Quando combinado com materiais à base de tetraceno em solução, o sistema coleta energia com sucesso com um rendimento quântico de cerca de 130%. Isto significa que cerca de 1,3 complexos metálicos à base de molibdênio foram ativados para cada fóton absorvido, excedendo o limite usual e demonstrando que foram produzidos mais portadores de energia do que o fóton recebido.
Futuras aplicações de tecnologia solar e quântica
Esta pesquisa apresenta uma nova técnica para amplificação de excitons, embora ainda esteja em fase de prova de conceito. A equipe pretende integrar esses materiais em sistemas de estado sólido para melhorar a transferência de energia e aproximar-se de aplicações práticas em células solares.
Os resultados podem estimular novas pesquisas sobre combinações de fissão singlete e complexos metálicos, com aplicações potenciais não apenas em energia solar, mas também em LEDs e tecnologias quânticas emergentes.
