Análise dos dois mecanismos de geração de fotocorrente em uma junção semicondutor 2D/metal 3D: PV: fotovoltaico; PTE: fototermoelétrico.
[Imagem: Da Xu et al. - 10.1126/sciadv.adv7614]

Além do fotovoltaico

O termo técnico para os conhecidos painéis solares, que convertem diretamente a luz em eletricidade, é painéis fotovoltaicos. Mas talvez esse termo não seja assim tão preciso quanto os cientistas pensavam.

Painéis solares flexíveis

Acontece que outro efeito ocorrendo nas células solares parece ser tão importante - ou talvez até mais, em algumas situações - para a geração de eletricidade do que o efeito fotovoltaico.

A descoberta deste segundo efeito promete levar a melhorias significativas nos sistemas de energia solar e até mesmo na tecnologia de comunicações ópticas.

Painéis solares flexíveis

Tecnologia vestível

Tudo começou quando Da Xu e colegas da Universidade da Califórnia de Riverside desenvolveram um método de imagem tridimensional para tentar visualizar como a luz é transformada em corrente elétrica nos materiais usados na fabricação das células solares.

Eles não apenas conseguiram espiar todo o processo, como conseguiram distinguir entre dois processos fundamentais pelos quais a luz é convertida em eletricidade.

Painéis solares flexíveis

E foi aí que veio a surpresa: O segundo processo, até hoje quase negligenciado, mostrou-se muito mais importante do que se estimava até agora.

Influência do nitreto de boro hexagonal nos perfis térmicos e de corrente fototermoelétrica nas células solares de molibdenita.
[Imagem: Da Xu et al. - 10.1126/sciadv.adv7614]

Efeitos fotovoltaico e fototermoelétrico

O primeiro processo visto pelo novo sistema de imageamento foi o conhecido efeito fotovoltaico, o mecanismo mais conhecido por trás dos painéis solares: Os fótons de luz incidentes soltam elétrons em um semicondutor, criando um fluxo de eletricidade que se acumula nos contatos dos eletrodos para fornecer eletricidade.

Painéis solares flexíveis

O segundo processo, muito menos conhecido, é chamado efeito fototermoelétrico. À medida que a energia luminosa energiza os elétrons no material, tornando-os mais quentes do que o ambiente ao redor, esses elétrons energizados movem-se naturalmente para regiões mais frias, gerando corrente elétrica à medida que fluem. Esses elétrons tendem a se afastar de suas regiões acumuladas próximas ao eletrodo, em direção contrária aos elétrons impulsionados pelo efeito fotovoltaico.

O que a nova técnica revelou é que o efeito fototermoelétrico é igualmente importante, se não mais, especialmente em dispositivos de pequena escala, como nas heterojunções que compõem as células solares.

Energia sustentável para dispositivos eletrônicos

"Até agora, sabíamos que ambos os efeitos estavam acontecendo, mas não conseguíamos ver o quanto cada um contribuía e como se distribuíam espacialmente," disse o professor Ming Liu. "Com nossa nova técnica, finalmente podemos diferenciá-los e entender como interagem. Isso abre novas maneiras de projetar dispositivos melhores."

Perfis de linhas de junção cruzada das fotocorrentes totais (preto), fototermoelétrica (azul) e fotovoltaica (vermelho).
[Imagem: Da Xu et al. - 10.1126/sciadv.adv7614]

Gerenciamento do calor e aumento da corrente elétrica

A equipe utilizou em seus experimentos nanodispositivos feitos de dissulfeto de molibdênio (MoS2), ou molibdenita, um semicondutor bidimensional com apenas alguns átomos de espessura. Essas estruturas ultrafinas estão despertando grande interesse para a eletrônica de próxima geração devido às suas propriedades ópticas e elétricas muito superiores às dos materiais atuais.

Usando seu novo método de imageamento, que canaliza a luz através da ponta de um microscópio de força atômica, a equipe conseguiu identificar onde e como os efeitos fotovoltaico e fototermoelétrico ocorrem, até a escala nanométrica.

E aí veio outra surpresa, mostrando que não é apenas um efeito de intensidade, mas também de localização: Embora o efeito fotovoltaico fosse esperado na junção onde o eletrodo e a molibdenita se encontram, o efeito fototermoelétrico se estendeu muito mais para dentro do material do que se pensava anteriormente.

"Isso vai contra a sabedoria popular," disse Xu, referindo-se à teoria mais aceita entre os cientistas. "Isso mostra que os efeitos do calor podem influenciar a saída elétrica em áreas muito maiores, mesmo longe do contato metálico [do eletrodo]."

E tinha mais. Quando a equipe adicionou uma fina camada de nitreto de boro hexagonal, outro material 2D de ponta, eles conseguiram direcionar o calor lateralmente através da célula. Esse fluxo de calor redirecionado potencializou o efeito fototermoelétrico ao alinhar as mudanças de temperatura com as variações na forma como o material responde ao calor - essencialmente aumentando a produção de corrente elétrica.

"Normalmente, você tenta manter o calor localizado," disse Xu. "Mas, neste caso, deixá-lo se espalhar ajudou."

Além de viabilizar tecnologias de energia solar e energia termossolar mais eficientes, esta descoberta promete ajudar a projetar melhores componentes de detecção de luz em sistemas de comunicação por fibra óptica, onde os dispositivos estão ficando cada vez menores e o gerenciamento do calor é cada vez mais importante