A partir de substratos de folhas de alumínio de baixo custo, os pesquisadores do Laboratório Berkeley montaram densos arranjos de semi-condutores do tipo negativo em cristal singelo, em um dispositivo em forma de pilares nano­métricos. Quando os nano-pilares são combinados com um semi-condutor trans­parente, do tipo positivo, que serve como janela, isso resulta em uma célula fotovoltáica eficiente, barata e flexível. Um substrato de alumínio forma a base para uma floresta de nano-pilares de sulfeto de cádmio e serve também como eletrodo inferior. Quando inserido em telureto de cádmio transparente dotado de um eletrodo superior de cobre e ouro, forma uma célula solar eficiente e barata.

Pes­qui­sadores do Laboratório Na­cio­nal Lawrence Berkeley do De­partamento de Energia e da Universidade da Califórnia em Berkeley vão apresentar uma nova maneira de fabricar células so­la­res eficiente a partir de ma­te­riais baratos e flexíveis. Este novo projeto cria semi-condu­tores opticamente ativos em um arranjo de pilares de di­men­sões nanométricas (1 na­nômetro = 1 bilionésimo de me­tro), cada um deles um único cristal.

Ali Javey, cientista da Divisão de Ciência dos Materiais do Laboratório Berkeley e profes­sor de engenharia elétrica da UC Berkeley, diz: “Para podermos aproveitar a abundante energia solar, temos que achar maneiras para produzir em massa elementos fotovoltáicos eficientes. Os semi-condutores de cristal singelo são mui­to promissores, mas as maneiras padrão para produzí-los não são econo­micamente viáveis”.

O trabalho básico de uma célula solar é converter a energia da luz em elétrons e "buracos" (a ausência de um elétron) portadores de carga que fluem através de eletrodos para produzir uma corrente. Diferentemente de uma célula solar plana típica, um arranjo em nano-pilares oferece uma superfície muito maior para coletar a luz. Simulações em computador indicam que, comparados a superfícies planas, os arranjos de semi-condutores em nano-pilares devem ser mais sen­síveis à luz, ter uma maior capacidade de separar os elétrons dos buracos e serem um coletor mais eficiente desses portadores de carga.

“Infelizmente, as tentativas anteriores de fabricar células fotovoltáicas com base em semi-condutores em forma de pilar, criados de baixo para cima, levaram a resultados desapontadores. A eficiência na transformação de luz para eletri­cidade foi de menos do que um a dois porcento”, explica Javey. “O processo de crescimento epitaxial de substratos mono-cristalinos era usado com frequência, mas isso é caro. As dimensões dos nano-pilares não podiam ser controladas, a densidade e o alinhamento dos pilares eram fracos e a qualidade da interface entre os semi-condutores era ruim”.

Javey usou uma nova maneira, controlada, de empregar o processo "vapor-líqui­do-sólido" para fabricar módulos em larga escala de arranjos densos e altamente ordenados de nano-pilares mono-cristalinos. Sua equipe criou, dentro de uma fornalha de quartzo, pilares de sulfeto de cádmio, rico em elétrons, sobre uma folha de alumínio na qual poros geometricamente distribuídos, feitos através de anodização, serviam como gabarito.

Dentro dessa mesma fornalha, eles embeberam os pilares formados em uma fina camada de telureto de cádmio, rico em buracos, que funciona como uma janela para coletar a luz. Os dois materiais em contato formam uma célula solar na qual os elétrons fluem através dos nano-pilares para o contato de alumínio por baixo e os buracos são conduzidos para finos eletrodos de cobre-ouro colocados na superfície da janela por cima.

A primeira célula-piloto testada apresentou um rendimento medido de apenas 6%, inferior aos 10 a 18% das células solares comerciais - mas muito melhor do que as outras células nanométricas feitas até hoje, justamente por seu arranjo em forma de nano-pilares. O fato do contato superior ser feito de cobre-ouro - materiais não transparentes - por si só já tirou uns 50% da eficiência. Outro problema é obter uma maior densidade dos pilares e diminuir a área destes que fica em contato com a janela. Esses problemas parecem ter soluções simples que serão testadas em breve.

Uma célula solar flexível é obtida pela remoção do substrato de alumínio e sua substituição por um eletrodo inferior de irídio. O dispositivo é, então, envolto em plástico flexível transparente. Com um olho nas aplica­ções práticas, além do de­sem­penho teórico, os pes­qui­sadores fabricaram uma célula solar flexível com o mesmo projeto, removen­do quim­icamente o subs­trato de alumínio e o subs­tituindo por uma fina ca­ma­da de irídio para criar o eletrodo inferior. Toda a célula solar resultante é recoberta com plástico trans­­parente (polidimetil­siloxano) para criar um dis­positivo dobrável, que pode ser flexionado com um efeito apenas marginal sobre o desempenho - e sem qualquer perda de desempenho após suces­sivas dobragens.

Javey finaliza: “Existem vá­rias maneiras de melho­rar o desempenho dos dispositivos fotovoltáicos tridimensionais em nano-pilares, assim como maneiras de simplificar os processos de fabricação, mas o método já é altamente promissor como forma de diminuir os custos de células solares efi­cientes. Obtivemos a capacidade de criar estruturas mono-cristalinas dire­tamente sobre grandes folhas de alumínio. E a configuração tridimensional sig­nifica que os requisitos de qualidade e pureza dos materiais empregados podem ser relaxados, portanto menos custosos. Os arranjos em nano-pilares são um novo caminho para módulos solares mais versáteis".

O artigo “Three-dimensional nanopillar-array photovoltaics on low-cost and flexible substrates”, por Zhiyong Fan, Haleh Razavi, Jae-won Do, Aimee Moriwaki, Onur Ergen, Yu-Lun Chueh, Paul W. Leu, Johhny C. Ho, Toshitake Takahashi, Lothar A. Reichertz, Steven Neale, Kyoungsik Yu, Ming Wu, Joel W. Ager e Ali Javey, será publicado na edição de agosto de Nature Materials e está disponível online em http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/abs/nmat2493.html.

(Berkeley Lab News Center / Chi vó, non pó, com tradução de João Carlos, 09/07/2009)