A energia solar desempenha um papel importante nos esforços para reduzir a dependência dos combustíveis fósseis e combater as alterações climáticas. O sol fornece à Terra uma enorme quantidade de energia a cada momento, mas os painéis solares modernos capturam apenas uma pequena fração dela. Esta limitação deve-se a um “teto físico” de longa data que tem sido difícil de superar.
Num estudo publicado em Jornal da Sociedade Química Americana No dia 25 de março, cientistas da Universidade Kyushu, no Japão, trabalhando com funcionários da Universidade Johannes Gutenberg (JGU) Mainz, na Alemanha, desenvolveram uma nova forma de ultrapassar esta barreira. Eles usaram um complexo metálico à base de molibdênio conhecido como emissor “spin-flip” para capturar a energia extra produzida pela fissão singlete (SF), muitas vezes descrita como uma “tecnologia dos sonhos” para melhorar a conversão de luz.
Com esta abordagem, a equipe alcançou uma eficiência de conversão energética de cerca de 130%, ultrapassando o limite tradicional de 100% e indicando tecnologia solar mais avançada.
Como funcionam os painéis solares e porque se perde energia
As células solares produzem eletricidade quando os fótons da luz solar atingem um semicondutor e transferem energia para os elétrons, colocando-os em movimento e criando uma corrente elétrica. Este processo pode ser comparado a um relé, onde a energia é transferida 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 sua energia extra na forma de calor. Por causa disso, os painéis solares só podem usar cerca de um terço da luz solar. Este limite é conhecido como limite de Shockley-Queisser e continua a ser um problema sério.
A fissão singlete oferece uma maneira de multiplicar a energia
“Temos duas estratégias principais para superar 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 segunda coisa que estamos investigando aqui é usar SF para gerar dois excitons a partir de um único fóton de exciton.”
Em condições normais, cada fóton produz apenas um exciton singleto de spin após excitação. Com SF, este único exciton pode ser dividido em dois excitons triplos de spin de menor energia, o que pode efetivamente dobrar a energia disponível. Embora alguns materiais como o tetraceno possam suportar este processo, a captura eficaz destes excitons tem-se revelado difícil.
Superando a perda de energia do FRET
“A energia pode ser facilmente ‘roubada’ por um mecanismo chamado transferência de energia de ressonância de Förster (FRET) antes que a multiplicação ocorra”, explica Sasaki. “Assim, precisávamos de um aceitador de energia que capturasse seletivamente os excitons triplos multiplicados após a fissão.”
Para resolver este 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, o elétron muda seu spin enquanto absorve ou emite luz infravermelha próxima, permitindo-lhe capturar a energia tripla produzida pelo SF.
Ao ajustar cuidadosamente o nível de energia, a equipe minimizou as perdas de FRET e permitiu a liberação eficiente de excitons multiplicados.
Colaboração e sucesso experimental
“Não poderíamos ter chegado a este ponto sem o grupo Heinze da JGU Mainz”, diz Sasaki. Adrian Sauer, um estudante de pós-graduação do grupo que visita a Universidade de Kyushu em intercâmbio e coautor do artigo, chamou a atenção da equipe para o material que havia sido estudado há muito tempo lá, levando à colaboração.
Quando combinado com materiais à base de tetraceno em solução, o sistema coletou energia com sucesso com um rendimento quântico de cerca de 130%. Isso significa que aproximadamente 1,3 complexos metálicos à base de molibdênio foram ativados para cada fóton absorvido, ultrapassando o limite usual e demonstrando que foram produzidos mais portadores de energia do que fótons recebidos.
Aplicações futuras de tecnologias solares e quânticas
Este estudo apresenta uma nova estratégia para aprimoramento 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.
As descobertas também podem levar a mais pesquisas combinando fissão singlete e complexos metálicos com aplicações potenciais não apenas em energia solar, mas também em diodos emissores de luz e novas tecnologias quânticas.
