Método propõe nova maneira de aproveitar fótons para eletricidade

Há muito se busca um aproveitamento de um espectro maior da energia solar para produzir energia elétrica.

  Esta busca pode ter chegado a algum lugar, com a proposta de um funil de energia solar que tira vantagem de objetos elasticamente deformados.

De acordo com Ju Li, um professor do Instituto de Tecnologia de Massachusetts e autor do estudo publicado na revista Nature Photonics: “Nós estamos tentando usar a deformação elástica para produzir propriedades sem precedentes”, diz o estudioso.

O funil, neste caso, é metafórico. Os elétrons e suas contrapartes, os elétrons-buracos (separados dos átomos pela energia dos fótons) são guiados para o centro de uma estrutura por forças eletrônicas, e não pela gravidade, como ocorre em um funil de cozinha, por exemplo. Quando o fenômeno acontece, o material assume a forma de um funil. É como uma folha de papel bem fina e esticada cujo centro é pressionado para baixo por uma agulha microscópica.

A pressão desta agulha gera deformação elástica, que aumenta em direção ao centro da folha. As variações da deformação são fortes o suficiente para gerar mudanças na estrutura atômica, o que possibilita que diferentes partes se ajustem com diferentes comprimentos de onda de luz, incluindo aqueles que não são visíveis para o olho humano, que compõem boa parte do espectro da luz solar.

A deformação pode ser tanto elástica quanto inelástica. Xiaofeng Qian, um pós-doutor no Departamento de Ciência e Energia Nuclear do MIT e coautor do estudo, explica que a deformação elástica é como ligações atômicas esticadas, enquanto que a inelástica ou plástica, corresponde a ligações quebradas ou trocadas.

O funil solar utiliza deformações elásticas precisamente controladas para controlar o potencial dos elétrons no material. A equipe do MIT usou modelos de computador para ver que efeitos teria a deformação em uma camada fina de bissulfeto de molibdênio. O material é capaz de formar filmes tão finos que chegam a apenas uma molécula de espessura.

A deformação elástica e a mudança induzida na energia potencial dos elétrons muda conforme a distância do centro do funil. É como um elétron em um átomo de hidrogênio, exceto que este “átomo artificial” é bidimensional e bem maior. Ainda precisam ser feitos experimentos em laboratório para confirmar os efeitos, e os cientistas esperam que isso ocorra no futuro.

O bissulfeto de molibdênio é um semicondutor natural, diferentemente do grafeno, outro material capaz de produzir filmes ultrafinos.  Ele pode então ser utilizado em células solares ou circuitos integrados, pois tem a característica do gap de energia, ou seja, a possibilidade de conduzir energia sem elétrons. Hoje, o silicone é mais usado nesses casos, mas usar o funil de energia solar faz com que o gap de energia sofra variações ao longo da superfície, de acordo com as diferentes cores da luz.

Em uma célula solar orgânica, o par elétron e elétron-buraco, chamado de éxciton, se movimenta aleatoriamente pelo material após ser gerado pelos fótons, o que impõe limites à produção de energia, por ser um processo difuso de baixa eficiência.
Ju Li adicionou que “as pessoas sabem há tempos que ao aplicar alta pressão, você pode induzir gigantescas mudanças nas propriedades dos materiais”. Pesquisas recentes mostram que controlar a deformação em direções diferentes pode resultar em uma grande variedade de propriedades.Já o funil solar, devido às características eletrônicas de seu material, “leva-os ao ponto de coleta (o centro do filme), que deve ser mais eficiente para a coleta de carga”, diz Ju Li.

Qual a importância comercial da descoberta? A IBM e a Intel conseguiram aumentar em 50% a velocidade de elétrons simplesmente por transmitirem 1% de deformação elástica nos canais de nanoescalas de silicone em transistores, permitindo avanços importantes na tecnologia de processadores.

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