Pesquisadores do Laboratório de Energia Renovável do Departamento de energia do Governo dos Estados Unidos (NREL) – www.nrel.gov em colaboração com a Innovating Inc descobriram um novo efeito denominado Multiple Exciton Generation (MEG) em nanocristais de silício. Esse efeito faz com que se libere mais de um elétron para cada fóton absorvido pelo material.
Obs. Este artigo é de 2008
Atualmente, o silício é o material semicondutor dominante na fabricação de células solares, com uma porcentagem de aproximadamente 93% do mercado, mas isso pode mudar com a nova descoberta.
Até essa descoberta o efeito MEG que foi estudado durante os últimos dois anos, parecia ocorrer apenas nos nanocristais (denominados pontos quânticos) de materiais semicondutores que atualmente não são utilizados na fabricação de células solares. Esses materiais tinham ainda o agravante de serem agressivos ao meio ambiente como o chumbo.
Com a nova descoberta, abrem-se as portas para uma aplicação do MEG em células solares de silício, que terão um rendimento maior maior, pois muito mais luz solar pode ser convertida em eletricidade por unidade de área. Células solares com muito maior rendimento vão aproximar ainda mais esse tipo de energia de outras fontes alternativas, dada sua redução de custo (mais energia por áreas menores).
Num documento publicado em julho, uma equipe do NREL divulgou que nanocristais ou pontos quânticos obtidos da Innovalight podem produzir mais de um elétron a partir de um único fóton da luz solar de comprimento de onda inferior a 420 nm.
O que ocorre nas células solares atuais é que, quando elas absorvem um fóton da luz solar, cerca de 50% da energia incidente é perdida na forma de calor. Com o efeito MEG pode-se converter parte dessa energia perdida em mais eletricidade.
Os pesquisadores do NREL que fizeram a descoberta foram Matthew C. Beard, Kelly P. Knutsen, Joseph M. Luther, Qing Song, Wyatt Metzger, Randy J. Ellingson e Arthur J. Nozik.
A descoberta representa uma ampliação na gama de materiais semicondutores que apresenta o efeito MEG e que consiste numa confirmação do trabalho pioneiro de Nozik que em 1997 que pontos quânticos em materiais semicondutores deveriam manifestar uma multiplicação eficiente de elétrons e com isso aumentar a eficiência de células solares.
Para que o leitor tenha uma ideia do que isso significa, conforme m ostra a figura 1, sempre que um fóton atinge um átomo do material semicondutor em condições normais, é liberado um elétron apenas. Com o efeito MEG, são liberados dois elétrons, o que significa muito mais energia disponível.
Por enquanto, os experimentos mostraram apenas a produção de mais de um elétron por fóton absorvido, isso com vários tipos de espectros ópticos. No entanto, para que isso possa ser usado numa célula solar é preciso extrair os elétrons liberados e levá-los a um circuito externo para que possam haver uma corrente elétrica utilizável, conforme mostra a figura 2.
Os cálculos demonstram que a eficiência total máxima que se pode obter aproveitando-se o efeito MEG é da ordem de 44% com luz solar normal sem concentração, as chega a 68% se a luz for concentrada por um fator de 500 vezes com lentes especiais ou espelhos. Esses valores podem ser comparados com o das células solares atuais que ficam na faixa de 33 a 40%, sob as mesmas condições.
Além da eficiência na extração dos elétrons dos pontos quânticos nas células solares, as pesquisas futuras estão sendo dirigidas no sentido de se obter o efeito MEG com comprimentos de onda maiores, com um deslocamento no espectro solar para regiões em que a incidência de energia é maior. Da mesma forma, pode-se obter um efeito que seja seletivo, com rendimento maior em determinados comprimentos de onda.
