Samambaias inspiram armazenamento de energia 30 vezes mais eficiente

Redação do Site Inovação Tecnológica-  11/05/2017

Sendo 30 vezes mais eficiente em escala de laboratório em relação às opções até agora disponíveis, este protótipo pode mudar o jogo. [Imagem: RMIT University]

Fractais

Inspirado nos veios naturais da samambaia, este protótipo pretende não apenas ser o sucessor das atuais baterias, como também ser a resposta para que as necessidades dos aparelhos portáteis sejam supridas a partir da energia solar.

Copiando a solução que a natureza encontrou para preencher um espaço da maneira mais eficiente possível - através de intrincados padrões que se autorrepetem, conhecidos como fractais -, o novo tipo de eletrodo aumenta a densidade das tecnologias de armazenamento de energia similares em nada menos do que 3.000%.

Mais do que isso, o protótipo baseado em grafeno abre uma nova rota para o desenvolvimento de sistemas "tudo em um", capazes de captar e armazenar a energia solar, sistemas estes que estão se tornando possíveis graças aos filmes finos flexíveis.

Quando totalmente desenvolvida, uma solução assim permitirá a fabricação de celulares, notebooks e até edifícios autoalimentados, que não dependerão inteiramente da rede de energia elétrica para se recarregar - parte, ou até mesmo toda a energia, virá da luz solar.

Supercapacitores

Este novo eletrodo supereficiente foi projetado para trabalhar com supercapacitores, que são dispositivos de armazenamento de eletricidade que se recarregam e descarregam muito mais rapidamente do que as baterias.

Os supercapacitores têm sido combinados com a energia solar há algum tempo, mas seu uso mais amplo como solução de armazenamento tem permanecido restrito devido à sua capacidade limitada. Sendo 30 vezes mais eficiente em escala de laboratório em relação às opções até agora disponíveis, este protótipo pode mudar este quadro.

Litty Thekkekara, da Universidade de RMIT, na Austrália, destaca o fato de que sua criação é baseada na tecnologia de películas finas flexíveis, o que torna suas aplicações potenciais incontáveis.

"A possibilidade mais promissora é usar este eletrodo com uma célula solar, para fornecer uma solução de colheita e armazenamento de energia total em um único chip. Podemos fazer isso já com as células solares existentes, mas elas são volumosas e rígidas.

"O futuro real reside na integração do protótipo com uma célula solar de película fina flexível. Filmes finos solares poderiam ser usados em virtualmente qualquer lugar que você possa imaginar, de janelas a painéis de carro, telefones ou relógios inteligentes. Nós não precisaríamos mais de baterias para recarregar nossos telefones ou estações de recarregamento para nossos carros híbridos," entusiasma-se pesquisador.

Para que essas aplicações passem do reino das possibilidades para a realidade, a equipe agora terá que integrar seu eletrodo com as células solares orgânicas. Como inúmeras equipes ao redor do mundo trabalham nessa área, não será necessário esperar muito para ver estes testes começarem a ser feitos.

Bibliografia:

Bioinspired fractal electrodes for solar energy storages

Litty V. Thekkekara, Min Gu

Nature Scientific Reports

Vol.: 7, Article number: 45585

DOI: 10.1038/srep45585

     

Material híbrido pode dobrar eficiência de células solares

Redação do Site Inovação Tecnológica -  08/05/2017

Esta é a estrutura da perovskita híbrida orgânico-inorgânica - CH₃NH₃PbI₃[Imagem: Libai Huang]

Perovskita híbrida

Este material, com o enigmático nome de "perovskita híbrida", pode se tornar a base de uma nova família de células solares com nada menos do que o dobro da eficiência obtida pelas mais modernas células de silício cristalino.

Sua base é um cristal da já conhecida família das perovskitas, que produzem naturalmente células solares de alta eficiência, embora ainda não muito duráveis.

Ao cristal, tipicamente inorgânico, foram adicionados elementos orgânicos - moléculas de metil-amônia - que podem tornar uma célula solar capaz de capturar até dois terços (66%) da energia do Sol, sem perder quase nada em aquecimento.

Isso é nada menos do que o dobro do que se pode conseguir com uma célula solar de silício.

"Meus estudantes de graduação aprenderam como fabricá-la em uns poucos dias," vangloria-se a professora Libai Huang, da Universidade Purdue, nos EUA.

Limites das células solares

As células solares de silício conseguem transformar apenas um terço da energia do Sol em eletricidade por causa de seu hiato de energia, ou intervalo de banda (bandgap), que é a quantidade de energia necessária para fazer um elétron sair de seu estado fundamental e passar para um estado condutor, criando a eletricidade - esse limite de eficiência é conhecido como Limite de Shockley-Queisser (33,7%).

Contudo, os fótons que chegam do Sol podem ter mais energia do que o intervalo de banda, e por um tempo muito curto - na faixa de 10^-12 segundo - os elétrons ficam com uma energia extra. Esses elétrons são chamados de "portadores quentes", e no silício eles existem por apenas um picossegundo, tempo no qual eles viajam uma distância máxima de apenas 10 nanômetros antes de dissipar sua energia como calor. Esta é uma das principais razões para a baixa eficiência das células solares.

A equipe então projetou um material que oferece as condições para que os elétrons quentes vivam por pelo menos 100 picossegundos, tempo no qual eles viajam até 200 nanômetros, permitindo o aproveitamento de toda a sua energia.

Imagens com microscópios ultrarrápidos, como estas, mostram que os elétrons movem-se mais de 200 nanômetros pelo novo material, com uma perda de energia mínima como calor. [Imagem: Libai Huang]

Eletrodos e chumbo

Mas nem tudo está pronto para que o novo material transforme-se em uma célula solar revolucionária.

Primeiro os pesquisadores terão que sintetizar eletrodos com os níveis de energia necessários para arrancar a energia extra e fazê-la fluir para fora da célula solar.

A equipe afirma que também pretende testar outros compostos para tentar substituir o chumbo presente em seu material por outros elementos menos tóxicos.

Bibliografia:

Long-range hot-carrier transport in hybrid perovskites visualized by ultrafast microscopy

Zhi Guo, Yan Wan, Mengjin Yang, Jordan Snaider, Kai Zhu, Libai Huang

Science

Vol.: 356, Issue 6333, pp. 59-62

DOI: 10.1126/science.aam7744

Células solares impressas como jornal

Redação do Site Inovação Tecnológica -  21/02/2017

Link para o original.

Todo o processo é baseado em "tintas solares", que podem ser aplicadas por impressão comum. [Imagem: Hairen Tan et al. - 10.1126/science.aai9081]

Células solares impressas

Pesquisadores canadenses criaram uma técnica que permite fabricar células solares flexíveis por impressão, em um processo produtivo tão simples e barato quanto imprimir um jornal.

A equipe eliminou um obstáculo crítico de fabricação de uma classe emergente de geradores solares chamados células solares de perovskita, que recentemente mostraram ter eficiência para competir com as células de silício.

Esta tecnologia solar alternativa promete painéis solares de baixo custo, impressos na forma de folhas flexíveis, que permitirão transformar quase qualquer superfície em um gerador solar.

Camada Seletiva de Elétrons

Ao contrário das células solares de silício, que exigem um material ultrapuro, temperaturas superiores a 1.000º C e grandes quantidades de solventes, as células solares de perovskita consistem em uma camada de pequenos cristais sensíveis à luz de baixo custo. Como esses cristais podem ser misturados em um líquido para formar uma espécie de "tinta solar", eles podem ser impressos em vidro, plástico ou outros materiais usando um processo de impressão do tipo jato de tinta.

Mas havia um problema: para gerar eletricidade, os elétrons excitados pela energia solar precisam ser extraídos dos cristais para que possam fluir através de um circuito e produzir a corrente. Essa extração ocorre em uma camada especial chamada "Camada Seletiva de Elétrons", cuja fabricação exigia temperaturas elevadas, por volta dos 500 graus, o que vinha impedindo o desenvolvimento de processos fabris práticos.

As novas células solares de perovskita alcançaram uma eficiência de 20,1% e podem ser fabricadas a baixas temperaturas. [Imagem: Kevin Soobrian]

Eficiência das células solares de perovskita

Hairen Tan e seus colegas da Universidade de Toronto desenvolveram agora uma nova reação química que permite fabricar uma camada seletiva de elétrons a partir de nanopartículas em solução, diretamente sobre a camada de cristais de perovskita. Embora ainda seja necessário algum calor, o processo fica sempre abaixo dos 150º C, inferior ao ponto de fusão de muitos plásticos.

As nanopartículas são revestidas com uma camada de átomos de cloro, o que as ajuda a se ligar à camada de perovskita acima. Esta forte ligação permite a extração eficiente de elétrons - a eficiência das células solares produzidas em laboratório pela equipe alcançou 20,1%.

Para comparação, as células solares de perovskita feitas com o método mais antigo de alta temperatura são apenas marginalmente melhores, chegando a 22,1%. As melhores células solares de silício atingem 26,3% de eficiência.

Outra vantagem foi um ganho significativo de estabilidade. As células solares de perovskita são instáveis, mostrando uma queda acentuada no desempenho após apenas algumas horas. As células fabricadas por Tan retiveram mais de 90% de sua eficiência após 500 horas de uso, insuficientes ainda para um produto comercial, mas mostrando que há muito espaço para viabilizar essa tecnologia de energia solar de baixo custo.

Bibliografia:

Efficient and stable solution-processed planar perovskite solar cells via contact passivation

Hairen Tan, Ankit Jain, Oleksandr Voznyy, Xinzheng Lan, F. Pelayo García de Arquer, James Z. Fan, Rafael Quintero-Bermudez, Mingjian Yuan, Bo Zhang, Yicheng Zhao, Fengjia Fan, Peicheng Li, Li Na Quan, Yongbiao Zhao, Zheng-Hong Lu, Zhenyu Yang, Sjoerd Hoogland, Edward H. Sargent

Science

Vol.: 355, Issue 6326, pp. 722-726

DOI: 10.1126/science.aai9081