Uma equipe de pesquisadores da Universidade Vanderbilt (EUA) anunciou ter desenvolvido um modo de combinar as proteínas fotossintéticas, contidas nos espinafres, com silício, um material utilizado correntemente nas células solares. Este procedimento teria a vantagem de produzir bem mais corrente elétrica que todos os sistemas solares "bio-híbridos" feitos até então.
"Esta combinação produz níveis quase 1.000 vezes mais altos do que aquele que tínhamos realizado, depositando a proteína sobre diferentes tipos de metais. Ela produz igualmente um ligeiro aumento da tensão", declarou David Cliffel, professor de química, que colaborou no projeto com Kane Jennings, professor de engenharia química e engenharia biomolecular. "Se pudermos continuar em nossa trajetória atual, de aumento de níveis detensão e de corrente, poderíamos atingir o estágio de tecnologias maduras para conversão solar em três anos."
A etapa seguinte dos pesquisadores consistirá da construção de um protótipo de célula solar de silício PS1, utilizando este novo design. O Professor Jennings estima que um painel de 60 cm poderia gerar pelo menos 100 miliampères, a 1 volt - o bastante para alimentar um certo número de diferentes tipos de pequenos aparelhos elétricos.
Há mais de 40 anos, os cientistas descobriram que uma das proteínas implicadas na fotossíntese, chamada fotossistema 1 (do inglês, PS1), continuava a funcionar mesmo uma vez extraída da planta, a saber: o espinafre. Depois, determinaram que a PS1 convertia a luz do sol em energia elétrica, com uma eficiência próxima de 100%, comparativamente a um rendimento de conversão de menos de 40% atingido por dispositivos artificiais. Isto incitou diversos grupos de pesquisa no mundo inteiro a tentar utilizar a PS1 para criar células solares mais eficientes.
Uma outra vantagem potencial destas células bio-híbridas está no fato de poderem ser fabricadas a partir de materiais baratos e facilmente disponíveis, diferentemente dos numerosos dispositivos microeletrônicos, que necessitam de materiais raros e custosos, como a platina ou o índio. A maioria das plantas utiliza as mesmas proteínas fotossintéticas que o espinafre. Por outro lado, em outro projeto de pesquisa, o Professor Jennings trabalha com um procedimento que lhe permite extrair a PS1 do kudzu, planta perene, da família das Fabaceae, "nativa do sul do Japão e Sudeste da China, onde ocorre como uma espécie invasora. É comestível, mas muitas vezes também pulverizada com herbicidas".
Após esta descoberta inicial, os progressos, não obstante lentos, têm sido constantes. Os pesquisadores desenvolveram métodos para extrair eficazmente a PS1 a partir das folhas. Demonstraram que isso podia ser realizado nas células que produzem uma corrente elétrica, quando se encontram expostas aos raios solares. Entretanto, a quantidade de energia que estas células bio-híbridas eram capazes de produzir por cm2 era sensivelmente inferior àquela gerada pelas células fotovoltaicas comerciais.
Um outro problema alvo: a longevidade. A performance de certas células em fase de testes decresce após apenas algumas semanas. Em 2010, entretanto, a equipe do Professor Vanderbilt conseguiu manter funcional uma célula PS1 durante nove meses, sem degradação da performance. "A natureza sabe muito bem como fazer isto. Nas árvores com folhas, por exemplo, a PS1 dura anos", declarou o Professor Cliffel. "Só precisamos, nós mesmos, encontrar uma maneira de fazer o mesmo".
Os pesquisadores da Universidade Vanderbilt informaram que sua combinação 'PS1/silício' produzia perto de um miliampère (850 microampères) de corrente por centímetro quadrado, a 0,3 volts. Isto representa perto de duas vezes e meia mais do que o melhor nível já anunciado para uma célula bio-híbrida.
Montagem da célula bio-híbrida usando a proteína do espinafre. - Créditos: Vanderbilt University.
A razão desta performance se encontra nas propriedades elétricas do substrato de silício, que foram preparadas para se adaptar àquelas da molécula PS1. Isto se faz por implantação de átomos - carregados eletricamente - no silício, para modificar suas propriedades elétricas: um processo chamado "dopagem". A proteína funcionou muito bem com silício dopado com cargas positivas, contudo, funcionou mal com silício dopado negativamente.
Para fazer funcionar o dispositivo, os pesquisadores extraíram a PS1 do espinafre em uma solução aquosa e despejaram a mistura obtida sobre a superfície de uma plaqueta de silício, dopado positivamente. Depois, colocaram a plaqueta em uma câmara de vácuo, a fim de fazer a água evaporar, para deixar, no final da evaporação, uma película de proteína de uma espessura ótima, de cerca de um mícron, seja: o equivalente de 100 moléculas de PS1.
Quando uma proteína PS1 é exposta à luz, absorve inicialmente a energia dos fótons que utilizará para liberar os elétrons. Estes últimos serão transportados para um dos lados da proteína. Tal mecanismo cria regiões de carga positiva, chamadas buracos, que se deslocam para o lado oposto da proteína.
Em uma folha, todas as proteínas PS1 estão alinhadas. Mas, na camada disposta sobre a plaqueta, as proteínas individuais estão orientadas de modo aleatório. Trabalhos de modelização, conduzidos precedentemente, indicaram se tratar, aqui, de um problema importante. Quando as proteínas estão dispostas sobre um substrato metálico, aquelas orientadas em uma direção fornecem elétrons que são, em seguida, coletados pelo metal, enquanto aquelas orientadas na direção oposta, repelem elétrons sobre o metal, para preencher os famosos buracos.
Como consequência, produzem correntes de carga positiva e negativa, que se anulam para deixar passar uma corrente muito fraca. O silício dopado -p- elimina o problema, porque permite aos elétrons circular na PS1. Deste modo, os elétrons circulam através do circuito em uma direção comum.
"Este não é tão bom quanto o alinhamento das proteínas, mas é muito melhor do que o que tínhamos antes", concluiu o Professor Jennings.
Enerzine (Tradução - MIA).
