Com a crescente popularidade da energia de combustível limpo, os cientistas estão buscando novos processos para desenvolver geração de combustível sustentável. Eles descobriram recentemente uma maneira de turbinar o motor da geração de combustível limpo dando uma leve torção nos materiais.
Pesquisadores da Universidade de Cambridge estão desenvolvendo semicondutores acessíveis que captam luz e alimentam dispositivos para converter água em hidrogênio limpo, um combustível alimentado exclusivamente pela luz solar.
Esses materiais semicondutores, conhecidos como óxidos de cobre, embora não tóxicos, abundantes e baratos, historicamente ficaram atrás do silício no mercado de semicondutores devido ao seu baixo desempenho. A técnica consiste em desenvolver cristais de óxido de cobre com uma orientação precisa que melhora a transferência de cargas elétricas através do material, resultando em um transporte de carga substancialmente mais rápido e eficiente.
Os fotocátodos de óxido de cobre para captação de luz produzidos usando essa abordagem superaram os fotocátodos de óxido anteriores em 70% e apresentaram maior estabilidade. Publicada recentemente, esta pesquisa demonstra o potencial de recursos acessíveis para acelerar a transição para fontes de energia sustentáveis . Além disso, pode ser integrada facilmente à infraestrutura energética existente.
Veja também esta pesquisa realizada pela Universidade de Tohoku sobre o uso de óxidos de sal-gema desordenados para baterias de magnésio recarregáveis.
Desafios e oportunidades em óxido cuproso
Apesar dos resultados promissores, o óxido cuproso, também conhecido como óxido de cobre (I), tem sido considerado há muito tempo uma alternativa promissora e de baixo custo ao silício. No entanto, limitações intrínsecas dificultam sua eficácia na absorção da luz solar e na sua conversão em carga elétrica. Uma parcela significativa dessa carga é perdida, o que limita o desempenho do material.
Nesse contexto, o Dr. Linfeng Pan, do Departamento de Engenharia Química e Biotecnologia de Cambridge, afirmou: “Assim como outros semicondutores de óxido, o óxido cuproso apresenta desafios intrínsecos. Um desses desafios é a discrepância entre a profundidade de absorção da luz e a distância percorrida pelas cargas dentro do material, de modo que a maior parte do óxido abaixo da camada superficial do material é essencialmente espaço morto.”
Além disso, o professor Sam Stranks , que liderou a pesquisa, acrescentou: “Para a maioria dos materiais de células solares, são os defeitos na superfície do material que causam uma redução no desempenho, mas com esses materiais de óxido, é o contrário: a superfície é em grande parte perfeita, mas algo no interior leva a perdas. Isso significa que a forma como os cristais são cultivados é vital para o seu desempenho.”
Para competir com os materiais fotovoltaicos existentes, os óxidos cuprosos devem ser otimizados para gerar e transmitir eficazmente cargas elétricas constituídas por um par elétron-lacuna que fica carregado positivamente durante a exposição à luz solar.
Direções futuras e suas implicações
- Uma abordagem de otimização potencial é use filmes finos de cristal único que são fatias finas de material com uma estrutura cristalina altamente organizada usada em aplicações elétricas. No entanto, a produção convencional desses filmes é frequentemente complexa e demorada.
- Os pesquisadores conseguiram produziu filmes de óxido cuproso de alta qualidade à pressão e temperatura ambiente usando técnicas de deposição de filme fino. Eles foram capazes de deslocar os cristais para uma certa orientação controlando cuidadosamente as taxas de crescimento e fluxo dentro da câmara de deposição. Usando técnicas espectroscópicas de alta resolução temporal, eles detectaram como a orientação do cristal alterava a eficiência do fluxo de carga elétrica dentro do material.
O Dr. Pan acrescentou : "Esses cristais são basicamente cubos, e descobrimos que quando os elétrons se movem através do cubo em uma diagonal do corpo, em vez de ao longo da face ou da aresta do cubo, eles se movem uma ordem de magnitude mais longe. Quanto mais longe os elétrons se movem, melhor o desempenho."
- Experimentos em um fotocátodo de óxido cuproso criado usando esta tecnologia demonstrou um aumento de desempenho de mais de 70% comparado ao atual fotocátodo de óxido eletrodepositado.
O professor Stranks afirmou ainda: "Há algo de mágico nessa direção diagonal desses materiais. Precisamos realizar mais pesquisas para entender completamente o porquê e otimizá-la ainda mais, mas até agora resultou em um enorme salto de desempenho."
“Além do desempenho aprimorado, descobrimos que a orientação torna os filmes muito mais estáveis, mas fatores que vão além das propriedades do material podem estar em jogo”, acrescentou o Dr. Pan.
- Os pesquisadores observam que, apesar dos ganhos anteriores, são necessários esforços adicionais de pesquisa e desenvolvimento. No entanto, eles enfatizar a importância potencial desta e de outras famílias materiais em auxiliar a transição em curso para fontes de energia sustentáveis.
Para concluir, o Prof. Stranks destacou: “Ainda há um longo caminho a percorrer, mas estamos numa trajetória empolgante. Há muita ciência interessante por vir desses materiais, e é interessante para mim conectar a física desses materiais com seu crescimento, como eles se formam e, em última análise, como eles se comportam”.
Fonte : Uma simples "ajuste" melhora o motor da geração de combustível limpo.
