Combustível solar supera 100% de eficiência

Redação do Site Inovação Tecnológica -  

Cada fóton gera dois pares de elétrons-lacunas que participam da reação química que produz o hidrogênio, superando os 100% de eficiência quântica externa.[Imagem: Yong Yan et al. - 10.1038/nenergy.2017.52]

Dois elétrons por fóton

Nos sistemas construídos até hoje para converter a luz solar em combustíveis químicos, cada fóton, por mais energético que seja, gera um único par lacuna-elétron e, portanto, um único "quantum" de trabalho químico para produzir o combustível.

Esse limite agora foi superado.

Baseando-se em descobertas anteriores sobre como aproveitar a energia acima da banda de condução dos semicondutores, Yong Yan e seus colegas do Laboratório Nacional de Energias Renováveis, nos EUA, construíram uma célula eletroquímica na qual, a partir de um único fóton, dois pares de elétrons-lacunas podem ser produzidos e usados na reação química de quebra das moléculas de água.

Eles não estão criando energia: os sistemas convencionais descartam esse excesso de energia como calor. Seu aproveitamento promete tornar a conversão da luz solar em combustíveis químicos mais eficiente ao aproveitar a energia de fótons altamente energéticos. Uma maior eficiência, por sua vez, significa menor custo, uma vez que permite que o reator produza mais combustível por unidade de área.

Célula fotoeletroquímica

Na colheita de energia solar convencional, feita com células solares de silício e outros semicondutores, o excesso de energia dos fótons acima da banda de condução do semicondutor é desperdiçado.

Recentemente, porém, descobriu-se que pontos quânticos de semicondutores conseguem coletar esses fótons de alta energia através da geração de múltiplos excitons, alcançando uma eficiência quântica externa maior que 100 por cento.

Yan confirmou isso em uma célula solar fotoeletroquímica formada por um fotoeletrodo de pontos quânticos de sulfeto de chumbo (PbS) depositados sobre uma lâmina de vidro revestida de dióxido de titânio (TiO2) e óxido de estanho dopado com flúor (FTO).

A célula realizou a evolução do hidrogênio a partir de soluções aquosas de sulfeto de sódio (Na2S) com uma eficiência quântica externa superior a 100% para fotoeletrodos de pontos quânticos com banda de energia na faixa de 0,85, 0,92 e 1.08 elétron-volt e para energias de fótons incidentes maiores que 2,7 vezes a energia da banda de condução do semicondutor.

Na prática

Agora será necessário demonstrar o funcionamento da célula fotoeletroquímica em maior escala e calcular os custos dos combustíveis produzidos, já que outras abordagens para a fabricação de combustíveis limpos e até de gasolina sem petróleo estão avançando rapidamente rumo ao uso prático.

• Célula solar produz dois elétrons para cada fóton

Bibliografia:

Multiple exciton generation for photoelectrochemical hydrogen evolution reactions with quantum yields exceeding 100%
Yong Yan, Ryan W. Crisp, Jing Gu, Boris D. Chernomordik, Gregory F. Pach, Ashley R. Marshall, John A. Turner, Matthew C. Beard
Nature Energy
Vol.: 2, 17052
DOI: 10.1038/nenergy.2017.52