Painéis solares transparentes podem em breve transformar janelas em coletores de energia

Esconder painéis solares transparentes à vista de todos pode aumentar muito a adoção da energia solar.

Os painéis solares abalaram a maneira como produzimos e consumimos eletricidade. Ao colocá-los em campos, paredes e telhados, residências e empresas individuais podem agora gerar sua própria energia a custos relativamente baixos – ou até mesmo vendê-la para redes elétricas próximas quando o fornecimento ultrapassar o consumo.

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O desafio: a energia solar provavelmente desempenhará um papel cada vez mais importante na redução das emissões globais de gases de efeito estufa, à medida que as inovações continuam a aumentar a eficiência da tecnologia.

Uma maneira pela qual a energia solar poderia se tornar mais amplamente usada seria integrar painéis solares a uma gama mais ampla de materiais e tecnologias comuns sem incomodar as maneiras como usamos essas coisas atualmente.

Cientistas de materiais recentemente exploraram como os painéis solares poderiam ser feitos para se misturar com o ambiente, tornando-os mais transparentes. Se alcançados, os dispositivos de coleta de energia podem ser colocados discretamente em cima de janelas, telas de exibição ou até mesmo na pele humana – expandindo ainda mais o alcance da tecnologia.

Ao aproveitar as propriedades únicas de materiais sólidos avançados, os engenheiros fizeram progressos em direção a painéis solares transparentes. Mas, por enquanto, mesmo os designs mais recentes permitem que menos de 70% da luz recebida passe por eles – nem de longe o suficiente para que os dispositivos se misturem com seus ambientes.

O novo design: uma equipe de pesquisadores no Japão já deu passos promissores para resolver esse problema de transparência . Liderado por Toshiaki Kato na Tohoku University, o design inovador da equipe funciona explorando interações complexas entre materiais ultrafinos.

A nova configuração é baseada em um material condutor chamado óxido de índio e estanho (ITO), que é transparente e incolor. Para fabricar sua célula solar, a equipe de Kato expôs um eletrodo ITO a um vapor de dissulfeto de tungstênio (WS 2 ). Nas condições certas, o vapor depositou uma camada atômica de WS 2 na superfície do ITO, que atua como um semicondutor.

Ao revestir o ITO com uma seleção cuidadosamente escolhida de metais finos e colocar uma camada isolante entre o ITO e o WS 2 , os pesquisadores puderam controlar com precisão a “barreira de contato” entre os dois materiais. Essa barreira descreve a energia que os elétrons precisam ganhar para passar de um material para o outro.

Nesse caso, os elétrons na camada WS 2 cruzam a barreira de contato à medida que absorvem os fótons que chegam e saltam entre as duas “bandas de energia” do semicondutor – convertendo o material de isolante em condutor.

No processo, o elétron deixa para trás um “buraco” carregado positivamente no semicondutor antes de se espalhar para o eletrodo ITO condutor. Isso gera uma tensão entre os dois portadores de carga, permitindo que a energia elétrica seja coletada do painel solar.

Eficiência e transparência: com sua abordagem de fabricação, a equipe de Kato aumentou drasticamente a altura da barreira de contato em comparação com projetos anteriores. Isso aumentou muito a voltagem entre os elétrons no ITO e os buracos que eles deixaram no semicondutor.

Por sua vez, sua alteração tornou o dispositivo mais de 1.000 vezes mais eficaz na conversão da luz recebida em energia elétrica do que as células solares baseadas em ITO existentes. Mesmo assim, a escolha dos materiais pela equipe foi muito mais transparente do que os projetos anteriores: permitindo que cerca de 79% da luz recebida passasse diretamente.

Após esta demonstração, Kato e seus colegas exploraram como sua célula solar poderia ser fabricada em escalas maiores, mantendo sua alta eficiência.

Nas células solares anteriores baseadas em ITO, a expansão da área de superfície do material levou a uma queda na tensão entre os pares elétron-buraco gerados. Isso reduziu sua capacidade de converter luz em eletricidade. Mas ajustando cuidadosamente o layout das conexões elétricas em seu projeto, os pesquisadores mostraram que um alto desempenho pode ser mantido em células solares de até 1 cm2 de área.

Se o material se tornar mais disponível comercialmente no futuro, a equipe de Kato acredita que um dia poderá permitir que uma gama diversificada de dispositivos eletrônicos colete a energia abundante do Sol, sem a necessidade de conectá-los a uma rede externa ou fonte de alimentação.

Pesquisa original: Transparent Solar Panels – Charging the Way to the World’s Future