Cientistas do Laboratório de Energias Renováveis do Estados Unidos propuseram uma nova estrutura de célula solar que, segundo seus primeiros testes, atinge uma eficiência de até 40%, o que é mais do que o dobro das melhores células fotovoltaicas disponíveis comercialmente. E há espaço para melhorias.

Processo de crescimento invertido
A técnica consiste em inverter o processo de crescimento do cristal fotovoltaico, além de uma melhoria na estrutura atômica dos materiais usados para captar os fótons da luz solar e liberar os elétrons para gerar a eletricidade. A faixa de energia dos fótons solares que atingem a superfície da Terra - entre 0 e 4 elétron-Volt (eV) - limita o rendimento das células solares construídas pela junção de semicondutores, que não são capazes de coletar a energia dos fótons que não coincidam com a sua bandgap - a diferença de energia entre os estados neutro e fotoexcitados.

Células solares multijunção
Essa limitação pode ser contornada com as células multijunção, sendo cada junção projetada para responder a uma faixa de energia dos fótons. O problema é que, com a tecnologia atual, não se pode usar mais do que três junções - a partir daí, a complexidade da célula solar começa a derrubar sua eficiência e anular os ganhos das multijunções. As ligas semicondutoras conhecidas como III-V (Al,Ga,In)(As,P), formadas por combinações de elementos dos grupos III (alumínio, gálio e índio) e V (arsênico e fósforo) da tabela periódica, são os mais promissores para a construção de células multijunção porque suas características podem ser ajustadas variando a composição de cada elemento na liga.

Contudo, defeitos na estrutura atômica dos cristais, conhecidos como deslocamentos, reduzem o desempenho da célula solar multijunção resultante. Os ganhos de eficiência obtidos com a utilização das ligas ajustáveis só pode ser obtido com algo próximo da perfeição cristalina, o que é virtualmente impraticável em um processo industrial em larga escala.

Célula solar invertida
Mas John F. Geisz e Daniel Friedman acreditam ter achado a solução invertendo o o processo de crescimento cristalino que dá origem à célula solar. Para fabricar a célula solar, os cristais - as ligas semicondutoras - são cultivados sobre um substrato. Para se obter uma boa célula solar, é necessário que a estrutura cristalina do semicondutor coincida com a estrutura desse substrato, reduzindo os deslocamentos. Mas, se esse processo for preciso demais, limita-se a escolha das bandgaps e tudo volta à estaca zero.

A solução encontrada pelos pesquisadores foi deixar para crescer por último os cristais com o maior nível de coincidência das estruturas atômicas, reduzindo os deslocamentos e mantendo a possibilidade de escolha das bandgaps. O complicado procedimento não poderia receber um nome simples: os pesquisadores batizaram sua nova célula solar de alta eficiência de célula solar metamórfica de tripla junção invertida.

Célula solar mais eficiente do mundo
Os primeiros testes em escala de laboratório foram surpreendentes, alcançando 40% de eficiência. Segundo os pesquisadores, é possível ainda elevar a eficiência das suas células solares invertidas para algo entre 45 e 50%, mediante o uso de materiais de maior qualidade e, eventualmente, adicionando uma quarta junção. A nova célula solar é tecnicamente imbatível, mas o complicado processo de fabricação indica que ela não será mais barata do que as atuais. Contudo, elas tornam-se candidatas naturais para usos onde a energia solar é essencial, como nos satélites artificiais, nas sondas espaciais e nos robôs enviados para explorar outros planetas.

(Inovação Tecnológica, 29/07/2009)