As células solares percorreram um longo caminho, mas as células solares de filme fino e baratas ainda estão muito atrás das células solares cristalinas mais caras em termos de eficiência. Agora, uma equipe de pesquisadores sugere que o uso de dois filmes finos de materiais diferentes pode ser o caminho a seguir para criar células de filme fino acessíveis com eficiência de cerca de 34%.

“Dez anos atrás, eu sabia muito pouco sobre células solares, mas ficou claro para mim que elas eram muito importantes”, disse Akhlesh Lakhtakia, professor da Universidade Evan Pugh e professor Charles Godfrey Binder de ciência e mecânica da Penn State.

Investigando o campo, ele descobriu que os pesquisadores abordaram as células solares de dois lados, o lado óptico – observando como a luz do sol é coletada – e o lado elétrico – observando como a luz solar coletada é convertida em eletricidade. Os pesquisadores ópticos se esforçam para otimizar a captura de luz, enquanto os pesquisadores elétricos se esforçam para otimizar a conversão em eletricidade, ambos os lados simplificando o outro.

“Decidi criar um modelo em que os aspectos elétricos e ópticos fossem tratados igualmente”, disse Lakhtakia. “Precisávamos aumentar a eficiência real, porque se a eficiência de uma célula for menor que 30%, não fará diferença.” Os pesquisadores relatam seus resultados em uma edição recente da Applied Physics Letters.

Lakhtakia é um teórico. Ele não faz filmes finos em laboratório, mas cria modelos matemáticos para testar as possibilidades de configurações e materiais para que outros possam testar os resultados. O problema, disse ele, é que a estrutura matemática de otimização do óptico e do elétrico são muito diferentes.

As células solares parecem ser dispositivos simples, explicou. Uma camada superior transparente permite que a luz do sol caia sobre uma camada de conversão de energia. O material escolhido para converter a energia, absorve a luz e produz fluxos de elétrons carregados negativamente e buracos carregados positivamente movendo-se em direções opostas.

As partículas com cargas diferentes são transferidas para uma camada de contato superior e uma camada de contato inferior que canaliza a eletricidade para fora da célula para uso. A quantidade de energia que uma célula pode produzir depende da quantidade de luz solar coletada e da capacidade da camada de conversão. Diferentes materiais reagem e convertem diferentes comprimentos de onda de luz.

“Percebi que, para aumentar a eficiência, tínhamos que absorver mais luz”, disse Lakhtakia. “Para fazer isso, tivemos que tornar a camada absorvente não homogênea de uma maneira especial.”

Essa maneira especial foi usar dois materiais absorventes diferentes em dois filmes finos diferentes. Os pesquisadores escolheram CIGS - disseleneto de cobre, índio e gálio - e CZTSSe - seleneto de cobre, zinco e enxofre - para as camadas. Por si só, a eficiência do CIGS é de cerca de 20% e a do CZTSSe é de cerca de 11%.

Esses dois materiais funcionam em uma célula solar porque a estrutura de ambos os materiais é a mesma. Eles têm aproximadamente a mesma estrutura de treliça, de modo que podem ser cultivados um em cima do outro e absorvem diferentes frequências do espectro, de modo que devem aumentar a eficiência, de acordo com Lakhtakia.

“Foi incrível”, disse Lakhtakia. “Juntos, eles produziram uma célula solar com eficiência 34%. Isso cria uma nova arquitetura de célula solar – camada sobre camada. Outros que podem realmente fazer células solares podem encontrar outras formulações de camadas e talvez fazer melhor.”

Segundo os pesquisadores, o próximo passo é criá-los experimentalmente e ver quais são as opções para obter as melhores respostas finais.