Pesquisadores da Universidade de Minnesota e da Universidade de Milão-Bicocldas estão trazendo o sonho de um possível índice etiológico de energia solar em um movimento mais próximo à realidade graças a nanopartículas de silício de alta tecnologia.
Os pesquisadores desenvolveram tecnologia para incorporar as nanopartículas de silício no que eles chamam de concentradores solares luminescentes (LSCs) eficientes. Essas LSCs são o elemento-chave das janelas que podem coletar eficientemente a energia solar. Quando a luz brilha através da superfície, as freqüências úteis de luz são presas dentro e concentradas nas bordas onde pequenas células solares podem ser colocadas no local para capturar a energia.
A pesquisa é publicada hoje na Nature Photonics ( "Concentradores solares luminescentes altamente eficientes baseados em pontos quânticos de silício bandgap indiretos abundantes na Terra" ).
Embora a maior parte da luz concentrada na borda do concentrador solar luminescente à base de silício seja realmente invisível, podemos ver melhor o efeito de concentração a olho nu quando a placa é iluminada por uma “luz negra” que é composta principalmente por comprimentos de onda ultravioleta. - Imagem: Uwe Kortshagen, Universidade de Minnesota
Janelas que coletam energia solar, chamadas de janelas fotovoltaicas, são a próxima fronteira em tecnologias de energia renovável, pois têm o potencial de aumentar largamente a superfície de edifícios adequados à geração de energia sem afetar sua estética - um aspecto crucial, especialmente em áreas metropolitanas. Janelas fotovoltaicas baseadas em LSC não exigem que qualquer estrutura volumosa seja aplicada em sua superfície e, uma vez que as células fotovoltaicas estão escondidas na moldura da janela, elas se misturam de forma invisível no ambiente construído.
A ideia de concentradores solares e células solares integrados ao design de edifícios existe há décadas, mas este estudo incluiu uma diferença fundamental - as nanopartículas de silício. Até recentemente, os melhores resultados foram obtidos usando nanoestruturas relativamente complexas baseadas em elementos potencialmente tóxicos, como o cádmio ou o chumbo, ou em substâncias raras como o índio, que já é amplamente utilizado para outras tecnologias. O silício é abundante no meio ambiente e não tóxico. Também funciona de forma mais eficiente, absorvendo a luz em diferentes comprimentos de onda do que emite. No entanto, o silício, na sua forma granel convencional, não emite luz ou luminescência.
"Em nosso laboratório, nós 'enganamos' a natureza, esquivando a dimensão dos cristais de silício a alguns nanômetros, ou seja, cerca de um décimo de milésimo do diâmetro do cabelo humano", disse Uwe Kortshagen, professor de engenharia mecânica da Universidade de Minnesota. processo de criação de nanopartículas de silício e um dos principais autores do estudo. “Nesse tamanho, as propriedades do silício mudam e ele se torna um eficiente emissor de luz, com a importante propriedade de não reabsorver sua própria luminescência. Essa é a principal característica que torna as nanopartículas de silício idealmente adequadas para aplicações de LSC ”.
O uso das nanopartículas de silício abriu muitas novas possibilidades para a equipe de pesquisa.
"Nos últimos anos, a tecnologia LSC experimentou aceleração rápida, graças também aos estudos pioneiros realizados na Itália, mas encontrar materiais adequados para a colheita e concentração de luz solar ainda era um desafio aberto", disse Sergio Brovelli, professor de física da Universidade. de Milano-Bicocca, co-autor do estudo, e co-fundador da empresa spin-off Glass to Power que está industrializando LSCs para janelas fotovoltaicas “Agora, é possível substituir esses elementos por nanopartículas de silício.”
Pesquisadores dizem que as características ópticas das nanopartículas de silício e sua compatibilidade quase perfeita com o processo industrial para a produção de polímeros LSCs criam um caminho claro para a criação de janelas fotovoltaicas eficientes que podem capturar mais de 5% da energia solar a custos baixos sem precedentes.
“Isso fará com que janelas fotovoltaicos baseados em LSC uma verdadeira tecnologia para o mercado fotovoltaico integrado de construção sem as limitações potenciais de outras classes de nanopartículas com base em materiais relativamente raros”, disse Francesco Meinardi, professor de física na Universidade de Milano-Bicocca e um dos primeiros autores do artigo.
As nanopartículas de silício são produzidas em um processo de alta tecnologia usando um reator de plasma e transformadas em pó.
"Cada partícula é composta de menos de dois mil átomos de silício", disse Samantha Ehrenberg, Ph.D. da Universidade de Minnesota. estudante e outro primeiro autor do estudo. "O pó é transformado em uma solução semelhante à tinta e depois incorporado em um polímero, seja formando uma folha de material plástico flexível ou revestindo uma superfície com uma película fina."
A Universidade de Minnesota inventou o processo de criação de nanopartículas de silício há cerca de doze anos e possui várias patentes sobre essa tecnologia. Em 2015, Kortshagen conheceu Brovelli, que é especialista em fabricação de LSC e já havia demonstrado várias abordagens bem-sucedidas para LSCs eficientes com base em outros sistemas de nanopartículas. O potencial das nanopartículas de silício para esta tecnologia foi imediatamente claro e a parceria nasceu. A Universidade de Minnesota produziu as partículas e os pesquisadores na Itália fabricaram as LSCs, incorporando-as em polímeros por meio de um método baseado na indústria, e funcionou.
"Esta foi realmente uma parceria em que reunimos os melhores pesquisadores em seus campos para tornar uma velha idéia verdadeiramente bem-sucedida", disse Kortshagen. “Tivemos a expertise em fabricar nanopartículas de silício e nossos parceiros em Milão tinham experiência na fabricação de concentradores luminescentes. Quando tudo aconteceu, sabíamos que tínhamos algo especial ”.
Universidade de Minnesota. Postado: 20 fev 2017.
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