Testes de radiação sugerem que células solares feitas de materiais à base de carbono, ou orgânicos, poderiam superar o silício convencional e o arsenieto de gálio na geração de eletricidade na fronteira ultimate, sugere um estudo da Universidade de Michigan.
Embora pesquisas anteriores tenham se concentrado em quão bem as células solares orgânicas convertem luz em eletricidade após a exposição à radiação, a nova investigação também investigou o que acontece no nível molecular para causar quedas no desempenho.
“Os semicondutores de silício não são estáveis no espaço por causa da irradiação de prótons vinda do Sol”, disse Yongxi Li, primeiro autor do estudo a ser publicado em Joule e um cientista pesquisador associado da UM em engenharia elétrica e de computação no momento da pesquisa. “Testamos a energia fotovoltaica orgânica com prótons porque eles são considerados as partículas mais prejudiciais no espaço para materiais eletrônicos.”
As missões espaciais muitas vezes pousam no arsenieto de gálio por sua alta eficiência e resistência a danos causados por prótons, mas é caro e, como o silício, é relativamente pesado e inflexível. Em contraste, as células solares orgânicas podem ser flexíveis e muito mais leves. Este estudo está entre aqueles que exploram a confiabilidade dos produtos orgânicos, já que as missões espaciais tendem a usar materiais altamente confiáveis.
Células solares orgânicas feitas com moléculas pequenas não pareciam ter problemas com prótons – elas não apresentaram danos após três anos de radiação. Em contraste, aqueles feitos com polímeros – moléculas mais complexas com estruturas ramificadas – perderam metade da sua eficiência.
“Descobrimos que os prótons clivam algumas das cadeias laterais, e isso deixa uma armadilha de elétrons que degrada o desempenho das células solares”, disse Stephen Forrest, Distinguido Professor de Engenharia da Universidade Peter A. Franken na UM, e principal autor correspondente do estudo.
Essas armadilhas agarram os elétrons liberados pela luz que atinge a célula, impedindo-os de fluir para os eletrodos que coletam a eletricidade.
“Você pode curar isso por recozimento térmico ou aquecimento da célula photo voltaic. Mas podemos encontrar maneiras de preencher as armadilhas com outros átomos, eliminando esse problema”, disse Forrest.
É plausível que as células solares voltadas para o sol possam essencialmente se auto-curar a temperaturas de 100°C (212°F) – este calor é suficiente para reparar as ligações no laboratório. Mas permanecem questões: por exemplo, será que essa reparação ainda ocorrerá no vácuo do espaço? A cura é confiável o suficiente para missões longas? Pode ser mais simples projetar o materials de modo que as armadilhas de elétrons que prejudicam o desempenho nunca apareçam.
Li pretende explorar ainda mais ambos os caminhos como professor associado de materiais avançados e manufatura na Universidade de Nanjing, na China.
A pesquisa é financiada pela Common Show Corp e pelo US Workplace of Naval Analysis.
Os dispositivos foram construídos em parte no Lurie Nanofabrication Facility, expostos a um feixe de prótons no Michigan Ion Beam Laboratory e estudados no Michigan Middle for Supplies Characterization.
A equipa solicitou protecção de patente com a assistência das Parcerias de Inovação da UM. A Common Show licenciou a tecnologia da UM e registrou um pedido de patente. Forrest tem interesse financeiro na Common Show Corp.
