Pesquisadores de Barcelona desenvolvem método para aumentar a eficiência de células fotovoltaicas em laboratório

Pesquisadores do Instituto de Ciências Fotónicas de Barcelona (ICFO), sob a liderança de Jordi Martorell Pena, desenvolveram um método em laboratório para elevar a capacidade de geração de eletricidade de células fotovoltaicas. A descoberta foca na superação de uma perda de eficiência anteriormente considerada inevitável, o que poderia, teoricamente, elevar o rendimento dessas células para 43%, ultrapassando o limite teórico atual de 33,16%.

O combate à perda de Boltzmann

Enquanto a indústria solar costuma focar na redução da dissipação de calor e na captura de fótons que atravessam a célula sem gerar energia — utilizando para isso as células tandem —, a equipe do ICFO concentrou-se na chamada perda de Boltzmann.

Esse fenômeno ocorre porque a célula solar, ao absorver a luz do Sol (que chega em um cone estreito), emite luz em todas as direções, funcionando de forma similar a uma lâmpada. Essa disparidade entre a direção da luz que entra e a que sai reduz a quantidade de energia convertida em eletricidade.

Inovação na estrutura óptica

Para mitigar esse problema, os cientistas transformaram a célula em uma cavidade óptica, criando uma estrutura onde a luz é refletida. O experimento utilizou uma célula orgânica composta pela mistura PM6:Y6 (materiais à base de carbono).

A modificação consistiu na substituição do eletrodo transparente convencional por uma lâmina de prata de poucos nanômetros na parte frontal. Essa camada, combinada com outra de prata na parte traseira e uma estrutura multicamadas, formou a cavidade que limita a emissão de luz em ângulos amplos, mantendo a alta transmissão na direção da luz solar.

Resultados e viabilidade técnica

O estudo, publicado na revista Energy & Environmental Science, da Royal Society of Chemistry, demonstrou que a espessura da lâmina de prata frontal influencia a redução da emissão de luz. Nos testes laboratoriais, a célula com cavidade atingiu 19,08% de eficiência, superando a célula de referência, que registrou 18,23%. Este é o valor mais alto já publicado para células do tipo PM6:Y6.

Embora o resultado prático esteja distante do limite teórico de 43% — cifra que seria alcançada se o cone de emissão coincidisse com o de absorção em semicondutores específicos —, Bernal Texca, um dos autores, destaca que o design não adiciona complexidade ao processo de fabricação.

Aplicações e impacto econômico

A equipe acredita que esse princípio pode ser aplicado a todas as tecnologias fotovoltaicas, não se restringindo a materiais orgânicos. A condição é que a luz que regula a tensão da célula seja gerada próxima à camada de separação de cargas. O próximo passo envolve testar a eficácia do método em outros materiais, como o silício, utilizado em painéis comerciais.

Aumentar a eficiência energética impacta diretamente a viabilidade econômica da fonte, resultando em menor custo por watt e otimização do uso de materiais e de solo na geração de energia solar. O avanço é visto como uma rota inexplorada para superar o limite de Shockley–Queisser.