O sonho das janelas que geram energia está a um passo de se tornar realidade

Graças a nanopartículas de silício de alta tecnologia, pesquisadores da Universidade de Minnesota e da Universidade de Milano-Bicocca estão tornando o sonho de janelas que podem eficientemente coletar energia solar um passo mais perto da realidade.

Os pesquisadores desenvolveram tecnologia para incorporar as nanopartículas de silício no que eles chamam de concentradores solares luminescentes eficientes (LSCs). Estes LSCs são o elemento chave das janelas que podem eficientemente coletar a energia solar. Quando a luz brilha através da superfície, as freqüências úteis da luz são “prendidas” dentro da janela e concentradas às bordas onde as pilhas solares pequenas podem conduzir a energia. A pesquisa foi publicada em 21 de fevereiro na revista Nature Photonics.

As janelas que podem coletar energia solar, chamadas de janelas fotovoltaicas, são a próxima fronteira em tecnologias de energia renovável, pois têm o potencial de aumentar em grande parte a superfície de edifícios adequados à geração de energia sem afetar sua estética – um aspecto crucial, especialmente nas áreas metropolitanas.

As janelas fotovoltaicas baseadas em LSC não requerem qualquer estrutura volumosa para ser aplicada na sua superfície e uma vez que as células fotovoltaicas estão escondidas na moldura da janela, elas se misturam invisivelmente no ambiente construído.

A idéia de concentradores solares e células solares integradas no projeto de construção tem sido especulado há décadas, mas apenas com este estudo que inclui nonopartículas de silício este sonho está perto de se tornar realidade. Até recentemente, os melhores resultados tinham sido obtidos usando nanoestruturas relativamente complexas baseadas em elementos potencialmente tóxicos, como o cádmio ou chumbo, ou em substâncias raras como o índio, que já é maciçamente utilizado para outras tecnologias.

Porém, este estudo utilizado o Silício, que é um material abundante em todo planeta (presente em toda a areia do mundo, por exemplo) e não tóxico. Ele também funciona de forma mais eficiente, absorvendo luz em diferentes comprimentos de onda do que emite. No entanto, o silício na sua forma convencional a granel, não emite luz ou luminesce.

“Em nosso laboratório,”enganamos” a natureza evitando a dimensão dos cristais de silício para alguns nanômetros, ou seja, cerca de dez milésimos do diâmetro do cabelo humano”, disse Uwe Kortshagen, professor de engenharia mecânica da Universidade de Minnesota. Processo para a criação de nanopartículas de silício e um dos autores sênior do estudo. “Com este tamanho, as propriedades do silício mudam e se torna um eficiente emissor de luz, com a importante propriedade de não reabsorver sua própria luminescência, o que torna as nanopartículas de silício ideais para aplicações LSC”. O uso de nanopartículas de silício abriu muitas novas possibilidades para a equipe de pesquisa. “Nos últimos anos, a tecnologia LSC tem experimentado aceleração rápida, graças também a estudos pioneiros realizados na Itália, mas encontrar materiais adequados para a coleta e concentração de luz solar ainda era um desafio”, disse Sergio Brovelli, professor de física da Universidade De Milano-Bicocca, co-autor do estudo, e co-fundador da spin-off empresa Glass to Power que está industrializando LSCs para janelas fotovoltaicas “Agora, é possível substituir esses elementos por nanopartículas de silício”.

Os pesquisadores dizem que as características ópticas das nanopartículas de silício e sua quase perfeita compatibilidade com o processo industrial para a produção de polímeros LSCs criam um caminho claro para a criação de janelas fotovoltaicas eficientes que podem capturar mais de 5% da energia do sol em baixíssimos custos, algo sem precedentes. “Isso fará com que as janelas fotovoltaicas LSC sejam uma verdadeira tecnologia para o mercado fotovoltaico integrado ao edifício sem as limitações potenciais de outras classes de nanopartículas com base em materiais relativamente raros”, disse Francesco Meinardi, professor de física da Universidade de Milano-Bicocca e um Dos primeiros autores do artigo.

Método de Produção das “Janelas Solares”

As nanopartículas de silício são produzidas em um processo de alta tecnologia usando um reator de plasma e formadas em pó. “Cada partícula é composta por menos de dois mil átomos de silício”, disse Samantha Ehrenberg, Ph.D. da Universidade de Minnesota. Estudante e outro primeiro autor do estudo. “O pó é transformado numa solução semelhante a tinta e depois incorporado num polímero, formando uma folha de material plástico flexível ou revestido uma superfície com uma película fina.”

A Universidade de Minnesota inventou o processo para a criação de nanopartículas de silício cerca de 12 anos atrás e detém uma série de patentes sobre esta tecnologia. Em 2015, Kortshagen conheceu Brovelli, que é um especialista em fabricação de LSC e já havia demonstrado várias abordagens bem-sucedidas para LSCs eficientes baseados em outros sistemas de nanopartículas. O potencial das nanopartículas de silício para esta tecnologia foi imediatamente claro e a parceria nasceu. A Universidade de Minnesota produziu as partículas e pesquisadores na Itália fabricaram os LSCs, incorporando-os em polímeros através de um método baseado industrial, e funcionou.

“Esta foi realmente uma parceria onde reunimos os melhores pesquisadores em seus campos para transformar uma velha ideia em algo verdadeiramente bem sucedido”, disse Kortshagen. “Tivemos a experiência em fabricar as nanopartículas de silício e os nossos parceiros em Milano tinham experiência na fabricação dos concentradores luminescentes. Quando tudo se reuniu, sabíamos que tínhamos algo especial”.

Artigo completo (em inglês): http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2017.5.html  

Matéria traduzida do link: Dream of energy-collecting windows is one step closer to reality