Supraesferas de ouro poderão aumentar a captação de luz nas células solares

Até agora, o ouro tem estado sobretudo associado à joalharia e às reservas para imprevistos. O metal precioso está agora a ganhar destaque na investigação energética. Uma equipa coreana mostra como nanoesferas de ouro especialmente estruturadas poderão aumentar drasticamente a captação de luz na tecnologia solar. O caminho até aos telhados ainda é longo, mas os valores medidos são suficientemente interessantes para atrair a atenção do setor.

Porque deixam as células solares convencionais tanta energia por aproveitar?

A cada segundo, o Sol fornece energia suficiente para cobrir as necessidades mundiais de eletricidade durante quase uma hora. Ainda assim, mesmo as células solares modernas aproveitam apenas uma parte relativamente pequena dessa energia. A explicação está na física, não na falta de empenho dos engenheiros.

A luz solar abrange um espectro alargado, que vai do ultravioleta ao infravermelho próximo, passando pela luz visível. As células solares convencionais são fabricadas sobretudo a partir de silício, um material que só consegue aproveitar com verdadeira eficiência uma gama limitada de comprimentos de onda.

Quanto à restante luz, acontece o seguinte:

• Uma parte é simplesmente refletida.
• Outra aquece o material, sem produzir eletricidade.
• Alguns comprimentos de onda não têm energia adequada e acabam por não ser aproveitados.

Por isso, as células de silício deparam-se com uma barreira física conhecida pelos especialistas como «limite de Shockley-Queisser». Na prática, os módulos monocristalinos de qualidade atingem uma eficiência de cerca de 20 a 22 por cento. Até agora, a restante radiação solar fica por aproveitar.

Ouro à escala nanométrica: quando a luz e os eletrões entram em ressonância

Há anos que as nanopartículas de ouro despertam grandes expectativas no setor solar. À escala nanométrica, as propriedades óticas do metal alteram-se significativamente. Surge então um fenómeno que os investigadores designam por «ressonância plasmónica de superfície localizada», abreviada como LSPR.

Quando a luz atinge as minúsculas partículas de ouro, os seus eletrões livres começam a oscilar coletivamente, provocando uma absorção de luz extremamente intensa em vez de uma simples reflexão.

Uma barra de ouro brilha, mas absorve a luz de forma relativamente pouco eficiente. Uma partícula de ouro à escala nanométrica comporta-se de maneira muito diferente: consegue absorver determinados comprimentos de onda com grande eficiência e concentrar fortemente a energia. É precisamente esta característica que a torna interessante para a tecnologia solar e para os sensores.

Esta propriedade tem, contudo, uma limitação: cada partícula responde apenas a uma gama estreita de comprimentos de onda. Uma nanopartícula convencional isolada aproveita, assim, apenas uma fração do espectro solar. É um problema conhecido que durante muito tempo impediu um avanço decisivo.

A ideia das «supraesferas»: muitas partículas de ouro para um espectro luminoso amplo

É precisamente neste ponto que intervém a equipa da Universidade da Coreia, que inclui os investigadores Jaewon Lee, Seungwoo Lee e Kyung Hun Rho. A ideia é a seguinte: se uma única partícula absorve bem apenas uma cor, é necessário um «enxame» de partículas de diferentes tamanhos que, em conjunto, cubra o maior número possível de cores.

Em vez de recorrer a nanopartículas isoladas, os investigadores agregam partículas de vários tamanhos em microesferas. Chamam a estas estruturas «supraesferas». Cada uma é composta por numerosas nanopartículas de ouro com diâmetros ligeiramente diferentes.

• As partículas pequenas respondem sobretudo à luz de comprimento de onda curto, ou seja, mais azulada.
• As maiores reagem com mais intensidade às componentes avermelhadas, de comprimento de onda mais longo.
• Em conjunto, as partículas cobrem uma parte consideravelmente mais vasta do espectro solar.

Há ainda uma vantagem prática importante: as supraesferas formam-se por si mesmas. Nas condições químicas adequadas, as partículas de ouro organizam-se espontaneamente em esferas. Em termos técnicos, fazem uma «autoassemblagem», sem necessidade de controlo externo complexo. Isso facilita muito uma futura produção em maior escala.

Simulações antes dos ensaios em laboratório

Antes de avançar para a experiência, a equipa realizou simulações informáticas aprofundadas. O objetivo era determinar o tamanho ideal das supraesferas e estimar a sua capacidade teórica de absorção.

Os cálculos apontaram para uma absorção superior a 90 por cento da radiação solar na região relevante do espectro. Para os investigadores, trata-se de um valor que desperta grande entusiasmo, desde que se confirme em laboratório.

Teste prático: quase o dobro da captação de luz na experiência

Na fase seguinte, os investigadores testaram as supraesferas num dispositivo real: um gerador termoelétrico disponível no mercado. Este tipo de sensor produz eletricidade a partir de diferenças de temperatura e é adequado para medir alterações na absorção de luz.

A experiência decorreu da seguinte forma:

• Foi aplicado na superfície do gerador um líquido com supraesferas.
• Depois de seco, formou-se uma película fina de supraesferas de ouro.
• O dispositivo foi exposto a um simulador solar com LED.

O resultado foi impressionante: o gerador revestido atingiu uma absorção de cerca de 89 por cento. Para comparação, um aparelho idêntico com uma película de nanopartículas de ouro convencionais ficou pelos 45 por cento, aproximadamente.

Com a mesma tecnologia de base, a nova estrutura esférica absorve, portanto, quase o dobro da luz captada por uma película convencional de nanopartículas.

Seungwoo Lee descreve, por isso, o método como uma «via simples para o aproveitamento quase total do espectro solar». Nos meios especializados, é sobretudo a combinação de elevada absorção com uma estrutura relativamente simples que chama a atenção.

O que poderá significar para as células solares do futuro

A experiência não recorre a um gerador fotovoltaico convencional, mas sim a um sistema termoelétrico. Ainda assim, o princípio que pode ser transferido é claro: quem consegue captar mais luz e mantê-la no componente dispõe, em teoria, de mais energia, quer sob a forma de calor, quer de eletricidade produzida diretamente.

Entre os cenários possíveis estão:

• Camadas finas de supraesferas como revestimento adicional em células solares de silício existentes.
• Módulos híbridos que combinem energia fotovoltaica e termoeletricidade com um sistema comum de captação de luz.
• Minigeradores de elevada eficiência para sensores, dispositivos de utilização pessoal ou aplicações espaciais, em que a área disponível é reduzida.

Com mais luz aproveitável, será possível aumentar a eficiência ou reduzir a área dos módulos. Isso seria uma grande vantagem para telhados de casas, parques solares em terrenos limitados ou aplicações de planeamento urbano.

O travão da realidade: do laboratório ao telhado há um longo caminho

Os próprios investigadores procuram moderar claramente as expectativas excessivas. Ninguém na equipa afirma que as supraesferas de ouro permitirão duplicar já amanhã a eficiência dos módulos convencionais. Tão-pouco prometem uma chegada próxima ao mercado.

Entre uma descoberta em laboratório e um produto fabricado em série passam anos e, por vezes, décadas. A pressão é especialmente grande no mercado solar: o setor está consolidado, os custos baixaram muito e as linhas de produção funcionam de forma estabelecida. As novas tecnologias não têm apenas de ser melhores; têm também de:

• Manter a estabilidade a longo prazo sob sol, chuva, geada e calor.
• Poder ser reproduzidas industrialmente em grandes quantidades.
• Competir economicamente com os módulos de silício de baixo custo.

Acresce que o ouro é caro. Embora as nanoestruturas necessitem apenas de quantidades minúsculas, os fabricantes fazem contas rigorosas antes de uma utilização em massa. A reciclagem, a quantidade de material utilizado e as cadeias de abastecimento têm um peso importante nessa avaliação.

O que significam LSPR e gerador termoelétrico

Quem não trabalha diariamente com ótica ou nanotecnologia pode facilmente tropeçar na terminologia especializada. Dois conceitos fundamentais podem ser explicados de forma relativamente acessível:

• Ressonância plasmónica de superfície localizada (LSPR): pode ser imaginada como uma espécie de «vibração de corda» dos eletrões no metal. Quando luz com o comprimento de onda adequado incide na nanopartícula, os eletrões entram coletivamente em movimento. O campo eletromagnético junto da partícula intensifica-se então bastante, conduzindo a uma elevada absorção de luz.
• Gerador termoelétrico: este componente transforma diretamente diferenças de temperatura em tensão elétrica. Se um dos lados aquecer mais do que o outro, os portadores de carga movimentam-se e produzem corrente. Quanto mais luz a superfície absorver, maior será a diferença de temperatura e, consequentemente, a potência.

Onde as nanoestruturas de ouro poderão trazer maiores benefícios

As supraesferas parecem particularmente promissoras nos locais onde a área é cara ou difícil de obter. Alguns exemplos são:

• Satélites e sondas espaciais, nos quais cada watt adicional conta.
• Sensores autónomos em instalações industriais que precisam de obter muita energia a partir de uma área pequena.
• Integração em edifícios, como vidro solar ou módulos de fachada com exposição solar limitada.

Nestes casos, mesmo ganhos moderados de eficiência poderão ser decisivos para tornar uma tecnologia utilizável. Em paralelo, muitas equipas em todo o mundo trabalham em conceitos semelhantes, desde células em tandem multicamada de perovskites até superfícies texturadas que encaminham deliberadamente a luz para o interior.

As supraesferas de ouro juntam-se a este conjunto como mais uma opção: não como uma solução milagrosa que substituirá todos os módulos amanhã, mas como um elemento para futuros sistemas de alta gama. Os ensaios de longa duração, as análises de custos e os projetos-piloto terão agora de mostrar até onde esta abordagem pode realmente chegar.