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Inovação Tecnológica

Simulação computacional seleciona materiais para melhorar células solares

Publicado em 30 junho 2021

Por Agência FAPESP*

Os metais de transição dicalcogenetos (TMDs, na sigla em inglês) formam uma família de materiais que combinam metais de transição (como titânio, tungstênio ou molibdênio) e elementos calcogênios (como enxofre, selênio ou telúrio).

Um dos diferenciais dos TMDs - entre os quais a agora bem conhecida molibdenita - está na possibilidade de obtê-los na forma de finíssimas camadas, com apenas três átomos de espessura.

Devido à sua bidimensionalidade e a algumas das suas propriedades elétricas e ópticas, esses materiais despertam interesse para aplicação em células solares.

Com o auxílio de ferramentas computacionais, uma equipe de pesquisadores brasileiros avaliou 72 TMDs e identificou três que reúnem todas as condições necessárias para uso em células solares de alto desempenho.

Totalmente realizado por meio de simulações computacionais, o estudo demandou menos tempo e recursos do que se tivesse sido feito experimentalmente, mediante síntese e caracterização dos materiais, de acordo com a equipe do Centro de Inovação em Novas Energias (CINE), uma parceria da FAPESP e da Shell distribuída pelas universidades Estadual de Campinas (Unicamp), de São Paulo (USP) e IPEN (Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares).

Algoritmo usado pela equipe para selecionar os materiais mais promissores a serem sintetizados.

[Imagem: A. C. Dias et al. - 10.1021/acsaem.0c03039]

Heterojunções

Os pesquisadores se concentraram em um grupo de TMDs ainda pouco estudado e buscaram predizer se cada um dos materiais - e as combinações entre os mais promissores - apresentariam as características necessárias para a sua aplicação em células solares: estabilidade, comportamento semicondutor, boa absorção da luz solar e boa eficiência na conversão da luz em eletricidade.

"Descobrimos que, do grupo inicial de 72 materiais, 22 eram estáveis para síntese experimental e 14 poderiam ser aplicados em células solares. Entretanto, desses 14, apenas composições com três desses sistemas forneceriam células solares com rendimento interessante do ponto de vista comercial," contou o pesquisador Alexandre Cavalheiro Dias.

As três composições mais promissoras, que apresentaram cerca de 20% de eficiência na conversão de energia, foram as heterojunções molibdênio-telúrio-selênio (MoTe2/MoSe2), molibdênio-selênio-tungstênio-enxofre (MoSe2/WS2) e molibdênio-telúrio-tungstênio-enxofre (MoTe2/WS2).

"Esse estudo serve como um referencial para produção de novas células solares, principalmente indicando quais materiais não possuem qualquer aptidão para essa aplicação," comentou Alexandre. "Na hora de tentar criar de fato a célula solar, o trabalho dará uma direção ao pesquisador experimental sobre quais materiais ele poderia utilizar para criar um dispositivo eficiente."

Bibliografia:

Artigo: Excitonic Effects on Two-Dimensional Transition-Metal Dichalcogenide Monolayers: Impact on Solar Cell Efficiency

Autores: A. C. Dias, Helena Bragança, João Paulo A. de Mendonça, Juarez L. F. Da Silva

Revista: Applied Energy Materials

Vol.: 4, 4, 3265-3278

DOI: 10.1021/acsaem.0c03039