A energia solar desempenha um papel fundamental nos esforços para reduzir a dependência de combustíveis fósseis e enfrentar as mudanças climáticas. O Sol entrega uma quantidade imensa de energia à Terra a cada momento, no entanto, as células solares modernas capturam apenas uma pequena fração dela. Essa limitação é devido a um “teto físico” prolongado que tem sido difícil de superar.
Em pesquisa publicada no Journal of the American Chemical Society em 25 de março, cientistas da Universidade de Kyushu no Japão, trabalhando em colaboração com a Universidade Johannes Gutenberg (JGU) Mainz na Alemanha, desenvolveram uma nova forma de superar essa barreira. Eles utilizaram um complexo metálico à base de molibdênio conhecido como um emissor “spin-flip” para capturar energia extra gerada através da fissão singlete (SF), frequentemente descrita como uma “tecnologia dos sonhos” para melhorar a conversão de luz.
Com essa abordagem, a equipe alcançou eficiências de conversão de energia de cerca de 130%, superando o limite tradicional de 100% e apontando para tecnologias solares mais avançadas.
Como As Células Solares Funcionam e Por Que A Energia é Perdida
As células solares produzem eletricidade quando fótons da luz solar atingem um semicondutor e transferem energia para elétrons, colocando-os em movimento e criando uma corrente elétrica. Esse processo pode ser comparado a um revezamento, onde a energia é passada de uma partícula para outra.
No entanto, nem todos os fótons são igualmente úteis. Fótons infravermelhos de baixa energia não têm energia suficiente para ativar elétrons, enquanto fótons de alta energia, como a luz azul, perdem sua energia extra como calor. Por causa disso, as células solares só conseguem utilizar cerca de um terço da luz solar que chega. Essa limitação é conhecida como limite de Shockley-Queisser e continua sendo um grande desafio.
A Fissão Singlete Oferece uma Maneira de Multiplicar Energia
“Temos duas estratégias principais para romper esse limite”, diz Yoichi Sasaki, professor associado da Faculdade de Engenharia da Universidade de Kyushu. “Uma é converter fótons infravermelhos de baixa energia em fótons visíveis de maior energia. A outra, que exploramos aqui, é usar a SF para gerar dois excítons a partir de um único fóton excíton.”
Em condições normais, cada fóton produz apenas um excíton spin-singlete após a excitação. Com a SF, esse único excíton pode se dividir em dois excítons spin-triplet de energia mais baixa, o que efetivamente poderia dobrar a energia disponível. Embora certos materiais, como a tetraceno, possam suportar esse processo, capturar esses excítons de forma eficiente tem se mostrado difícil.
Superando a Perda de Energia por FRET
“A energia pode ser facilmente ‘roubada’ por um mecanismo chamado transferência de energia de ressonância Förster (FRET) antes que a multiplicação ocorra”, explica Sasaki. “Portanto, precisávamos de um receptor de energia que capturasse seletivamente os excítons triplet multiplicados após a fissão.”
Para abordar esse problema, os pesquisadores recorreram a complexos metálicos, que podem ser projetados com precisão. Eles identificaram um emissor “spin-flip” à base de molibdênio como uma solução eficaz. Neste sistema, um elétron muda seu spin durante a absorção ou emissão de luz infravermelha próxima, permitindo que ele capture a energia triplet gerada pela SF.
Ao ajustar cuidadosamente os níveis de energia, a equipe minimizou as perdas de FRET e possibilitou a extração eficiente dos excítons multiplicados.
Colaboração e Sucesso Experimental
“Não teríamos chegado a este ponto sem o grupo Heinze da JGU Mainz”, diz Sasaki. Adrian Sauer, um estudante de pós-graduação do grupo em intercâmbio na Universidade de Kyushu e segundo autor do artigo, trouxe a atenção da equipe para um material que há muito tempo é estudado lá, levando à colaboração.
Quando combinado com materiais à base de tetraceno em solução, o sistema conseguiu captar energia com rendimentos quânticos de cerca de 130%. Isso significa que aproximadamente 1,3 complexos metálicos à base de molibdênio foram ativados para cada fóton absorvido, superando o limite usual e demonstrando que mais transportadores de energia foram produzidos do que os fótons incidentes.
Futuras Aplicações em Tecnologia Solar e Quântica
Essa pesquisa introduz uma nova estratégia para amplificar excítons, embora ainda esteja na fase de prova de conceito. A equipe pretende integrar esses materiais em sistemas de estado sólido para melhorar a transferência de energia e se aproximar de aplicações práticas em células solares.
As descobertas também podem incentivar mais pesquisas combinando fissão singlete e complexos metálicos, com potenciais usos não apenas em energia solar, mas também em LEDs e tecnologias quânticas emergentes.
