A energia solar é um candidato popular para uma alternativa sustentável aos combustíveis fósseis. Uma célula solar, ou célula fotovoltaica (PV), converte a luz solar diretamente em eletricidade. No entanto, a eficiência de conversão não tem sido suficiente para permitir amplas aplicações de células solares.
Um limite fundamental para a eficiência máxima dos dispositivos fotovoltaicos é dado pelas características termodinâmicas, ou seja, temperatura e entropia (uma medida de desordem em um sistema). Mais especificamente, esse limite, conhecido como limite de Landsberg, é imposto pela entropia da radiação do corpo negro que é frequentemente atribuída à luz solar. O limite de Landsberg é amplamente considerado como o limite mais geral para a eficiência de qualquer conversor de luz solar.
Outro limite, chamado limite de Shockley-Queisser (SQ), vem da lei de Kirchhoff, que afirma que a absortividade e a emissividade devem ser iguais para qualquer energia do fóton e para qualquer direção de propagação. Este é essencialmente o princípio do “equilíbrio detalhado” que rege a operação das células solares há décadas. A lei de Kirchhoff é, de fato, uma consequência do que é chamado de “simetria de reversão do tempo”. Uma maneira de contornar o limite SQ é, portanto, quebrar essa simetria permitindo que a luz se propague apenas em uma direção. Simplificando, o limite SQ pode ser ultrapassado se o conversor fotovoltaico absorver mais e emitir menos radiação.
Em um novo estudo publicado no Journal of Photonics for Energy (JPE), os pesquisadores Andrei Sergeev do US Army Research Laboratory e Kimberly Sablon do Army Futures Command e da Texas A&M University propõem uma maneira de quebrar o limite SQ utilizando “estruturas fotônicas não recíprocas ” que pode reduzir drasticamente a emissão de um conversor fotovoltaico sem afetar sua absorção total de luz.
A pesquisa explora um projeto fotovoltaico de célula única integrado a componentes ópticos não recíprocos para fornecer uma reutilização de 100% da radiação emitida pela mesma célula devido à reciclagem não recíproca de fótons. Isso contrasta com os projetos anteriores, que consideravam um conversor fotovoltaico com várias células multijunção, dispostas de tal forma que a luz emitida por uma célula fosse absorvida por outra.
Seguindo os trabalhos seminais de Lorentz, von Laue, Einstein, Landau, Brillouin e Schrödinger, Sergeev e Sablon também discutem a entropia da luz solar em termos de coerência, relatividade, distribuições fora do equilíbrio, desordem, informação e negentropia. Os autores observam que, ao contrário da radiação fortemente desordenada dentro do sol, os fótons na luz solar se movem ao longo de linhas retas em um ângulo sólido estreito. Para Sergeev e Sablon, essa observação sugere que a luz solar nos fornece energia verde real e sua eficiência de conversão depende apenas de como a converteremos.
Os autores mostraram que para a radiação quasiimonocromática, o conversor fotovoltaico não recíproco de célula única atingiu a “eficiência de Carnot” teoricamente máxima, a eficiência de um motor térmico ideal, que excede o limite de Landsberg. Este também foi o caso da radiação multicolorida (característica da luz solar).
Curiosamente, isso ajudou a resolver um paradoxo termodinâmico relacionado a um diodo óptico. O paradoxo afirmava que um diodo óptico poderia aumentar a temperatura do absorvedor acima da temperatura do sol, permitindo apenas a propagação da luz unidirecional. Isso violaria a segunda lei da termodinâmica. O estudo mostrou que seria necessário um número infinito de reciclos de fótons para atingir a eficiência de Carnot e, assim, infringir a lei.
Além disso, os pesquisadores generalizaram as considerações termodinâmicas para distribuições de fótons fora de equilíbrio com potencial químico diferente de zero induzido pela luz e derivaram a eficiência limitante de um conversor fotovoltaico não recíproco de célula única.
“Esta pesquisa foi motivada pelo rápido progresso em óptica não recíproca e pelo desenvolvimento de materiais fotovoltaicos de baixo custo com alta eficiência quântica”, diz Sergeev, citando materiais de perovskita em particular e observando: “A recombinação não radiativa fraca nesses materiais permitiria uma melhoria avançada de Conversão fotovoltaica através da gestão de processos radiativos.”
Com estruturas fotônicas não recíprocas em ascensão, o desenvolvimento de conversores fotovoltaicos de alta eficiência pode ser esperado em um futuro próximo. À medida que a busca por soluções sustentáveis para a crise energética mundial continua, este estudo oferece muita esperança para a tecnologia de células solares.
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