De acordo com pt.wedoany.com-Pesquisadores do Instituto de Ciências Fotónicas de Barcelona (ICFO) desenvolveram uma célula solar orgânica tandem de quatro terminais, com uma eficiência de conversão de potência de 16,94%. O avanço central reside num elétrodo de prata com apenas 7 nanómetros de espessura, cerca de um milésimo do diâmetro de um fio de cabelo humano.
As células solares orgânicas têm atraído atenção devido ao seu baixo custo e preparação flexível, mas a sua eficiência de conversão fotoelétrica tem ficado atrás das células de silício. O valor de eficiência alcançado pela equipa do ICFO supera não só a eficiência de referência de 6,5% de células tandem de quatro terminais do mesmo tipo anteriormente reportadas, mas também o recorde oficial anterior de 14,2% de todos os dispositivos orgânicos tandem (incluindo designs de dois terminais).
A eficiência das células solares orgânicas de junção única é limitada pela sua capacidade de absorver apenas parte do espectro solar. Fotões com energia excessivamente alta dissipam-se como calor (perda por termalização), enquanto fotões com energia demasiado baixa atravessam diretamente (perda por transmissão). Estes dois mecanismos impõem em conjunto um limite superior à eficiência de uma única célula. A estrutura tandem resolve este problema empilhando duas subcélulas com diferentes bandgaps, cada uma sintonizada para uma parte diferente do espectro, capturando assim mais fotões. Esta abordagem já foi validada em dispositivos de silício e perovskita.
A dificuldade em fabricar células orgânicas tandem de dois terminais reside no facto de as subcélulas partilharem um único circuito e a corrente ter de ser exatamente igualada, enquanto a camada de interligação precisa de ser simultaneamente altamente eficiente eletricamente e altamente transparente. O design de quatro terminais adotado pelo ICFO evita completamente o problema de correspondência de corrente. As subcélulas dianteira e traseira têm ligações de circuito independentes, permitindo aos investigadores selecionar puramente os bandgaps de cada subcélula com base na melhor absorção de luz.
Para concretizar esta vantagem teórica, a equipa de investigação selecionou PM6:L8-BO como mistura fotoativa para a célula dianteira e PTB7-Th:O6T-4F, uma mistura de bandgap estreito, para a célula traseira, de modo a absorver fotões infravermelhos. Antes da fabricação, combinaram o método matricial com a resolução de problemas inversos para determinar a estrutura ideal do dispositivo através de cálculos. O principal desafio de fabrico residia no elétrodo superior da célula dianteira. Os elétrodos de prata transparentes tradicionais têm normalmente entre 9 e 15 nanómetros de espessura; a equipa do ICFO reduziu-os para 7 nm. Esta camada de prata de 7 nm foi integrada numa pilha fotónica multicamada que alterna entre trióxido de tungsténio (WO₃) e fluoreto de lítio (LiF). Esta estrutura proporciona elevada transmitância na gama de comprimentos de onda de 750 a 1000 nm, permitindo que a luz infravermelha chegue à célula traseira, enquanto reflete a luz na gama de 500 a 700 nm de volta para a célula dianteira, recuperando energia que de outra forma se perderia.
Testada sob um simulador solar com condições de 1 sol e com medições de eficiência quântica, o dispositivo alcançou uma eficiência de conversão de potência de 16,94%. Francisco Bernal, primeiro autor do estudo, salientou que fabricar um elétrodo de apenas 7 nm sem perdas na célula transparente dianteira representa um avanço significativo no campo das células transparentes, sendo inédito o equilíbrio entre transparência e condutividade alcançado com uma espessura de 7 nm.
A equipa do ICFO considera aplicar esta tecnologia em células fotoelétroquímicas, utilizando energia solar para decompor água em hidrogénio ou converter dióxido de carbono em combustíveis. O estudo foi realizado no âmbito do projeto SOREC2. O professor Jordi Martorell, que coordenou a investigação, afirmou que a metodologia utilizada para conceber e implementar a estrutura tandem de quatro terminais pode ser aplicada para projetar novos sistemas onde a distribuição adequada da luz nos componentes é crucial para o desempenho de dispositivos específicos. A equipa concentra-se atualmente em aperfeiçoar esta metodologia e aplicá-la no domínio dos combustíveis solares, incluindo a conversão e valorização do dióxido de carbono.
