O que são células solares de ponto quântico?

As células solares de ponto quântico são células solares construídas sobre uma rede de cristais fabricados em escala nanométrica que têm o potencial de superar as tecnologias convencionais de células solares devido a uma limitação fundamental de como as células solares capturam a luz solar. Uma célula solar padrão é construída sobre uma camada de material que é mais eficiente na captura de uma faixa específica ou comprimento de onda da luz. Os pontos quânticos nas células solares de pontos quânticos, no entanto, podem ser criados para capturar várias faixas de luz, variando seu tamanho e composição química no processo de fabricação. Isso torna uma variedade de diferentes tipos de pontos quânticos em uma camada de substrato potencialmente capaz de capturar uma ampla gama de comprimentos de onda de luz, tornando-os muito mais eficientes e econômicos de produzir do que as células solares padrão.

O limite técnico para converter a luz solar em energia elétrica com um material de célula solar composto por um tipo de estrutura química é teoricamente um máximo de 31%. No entanto, as células solares comerciais a partir de 2011 só têm um nível prático de eficiência de 15% a 17% no seu nível máximo. Pesquisas estão em andamento há décadas para encontrar melhorias na tecnologia de células solares a partir de vários pontos de vista, como a redução do gasto de material fotovoltaico baseado em silício altamente puro, substituindo polímeros flexíveis e substratos metálicos. A pesquisa com células solares também se concentrou em capturar uma faixa mais ampla de luz, tanto no empilhamento de diferentes camadas de materiais de células solares quanto na engenharia de cristais exclusivos, conhecidos como pontos quânticos, em uma camada de células solares. Todas as abordagens têm suas desvantagens, e as células solares de ponto quântico também tentam fazer uso de suas vantagens sempre que possível.

A tecnologia emergente das células solares de pontos quânticos baseia-se na física e na química dos próprios pontos quânticos, mas também inclui o princípio de uma célula solar de várias camadas e a capacidade de incorporar esses componentes em um produto potencialmente mais fácil de fabricar. substrato flexível. Idealmente, a tecnologia tem como objetivo produzir o que é conhecido como célula solar de espectro total, capaz de capturar até 85% da luz visível e radiante e convertê-la em eletricidade, além de capturar alguma luz nas bandas de infravermelho e ultravioleta. A produção de energia para essas células solares atingiu 42% de eficiência no laboratório a partir de 2011, e os esforços atuais envolvem a descoberta de estruturas químicas práticas e econômicas para essa tecnologia, para que possa ser produzida em massa.

As abordagens para as células solares da próxima geração se concentraram no modelo de três band gap ou mult junções, onde diferentes camadas de ligas semicondutoras de nitrato de arseneto de gálio e nitrato estão interconectadas. Outra composição química de múltiplas junções usou uma liga de zinco-manganês-telúrio e células solares de ponto quântico também estão sendo fabricadas a partir de sulfeto de cádmio em um substrato de dióxido de titânio revestido com moléculas orgânicas para interconectar o substrato metálico e os pontos quânticos. Outras variações nas três camadas de gap de banda incluem pesquisas usando fosfeto de índio-gálio, arseneto de índio-gálio e germânio. Muitas combinações químicas parecem funcionar, e o tamanho das moléculas usadas no processo, como a camada de interconexão orgânica, parece ter um impacto mais direto na eficiência das células solares de ponto quântico para capturar um amplo espectro de luz do que o química real dos próprios materiais. As camadas de uma célula solar de múltiplas junções, no entanto, incluindo os próprios pontos quânticos, geralmente precisam ter menos de dois nanômetros de espessura, o que requer um nível extremamente preciso de precisão para produzir apenas as instalações fabulosas de microchips que produzem processadores e memória de computador. capaz de em escala de massa.

O objetivo da pesquisa de células solares de ponto quântico é tornar as células solares mais eficientes e mais baratas de fabricar. Idealmente, eles serão construídos com materiais poliméricos flexíveis para que possam ser pintados em edifícios ou usados ​​como revestimento para eletrônicos portáteis. Eles também seriam capazes de ser tecidos em tecidos sintéticos para roupas e estofados em carros. Isso daria à tecnologia de células solares amplas aplicações na geração elétrica que poderiam suplementar ou suplantar a necessidade de uso de combustíveis fósseis para muitas necessidades comuns dos consumidores, incluindo controle climático, telecomunicações, transporte e iluminação. Essas células solares foram criadas em laboratório nos EUA, Canadá, Japão e outras nações, e a primeira empresa a encontrar um método de produção em massa barata da tecnologia provavelmente capturará um mercado mundial para ela em escala sem precedentes.