As Novas Células Solares podem ser pintadas e impressas em superfícies eficientes, agora com aplicações em roupas que exigem flexibilidade.

Rafael Verduzco da Universidade de Rice, desenvolveu sistemas fotovoltaicos orgânicos com flexibilidade e que são úteis em geração constante de energia e de baixo consumo, incorporando uma rede de aditivos elásticos transformando o material eletricamente ativo frágil, com pouca ou nenhuma perda de fluxo de corrente. A pesquisa aparece na revista Chemistry of Materials, da American Chemical Society.

As células solares orgânicas dependem de materiais à base de carbono, incluindo polímeros, ao contrário de materiais inorgânicos duros, como o silício, para capturar a luz solar e transformá-la em corrente. Os orgânicos também são finos, leves, semitransparentes e baratos. Enquanto as células solares de meio-caminho, comerciais e à base de silício, têm uma eficiência de cerca de 22% – a quantidade de luz solar convertida em eletricidade -, os compostos orgânicos chegam a 15%.

“O campo está obcecado com o gráfico de eficiência há muito tempo”, disse Verduzco. “Houve um aumento na eficiência desses dispositivos, mas as propriedades mecânicas também são importantes, e essa parte foi negligenciada. “Se você estica ou dobra as coisas, obtém rachaduras na camada ativa e o dispositivo falha.” Verduzco explica que uma abordagem para consertar o problema frágil seria encontrar polímeros ou outros semicondutores orgânicos flexíveis por natureza, mas seu laboratório tomou outro rumo. “Nossa idéia era ficar com os materiais que foram cuidadosamente desenvolvidos ao longo de 20 anos e que sabemos o trabalho é encontrar uma maneira de melhorar suas propriedades mecânicas”.Os pesquisadores da Rice misturaram reagentes tiolenos à base de enxofre, assim as moléculas misturam-se com os polímeros e depois dar forma entre si para proporcionar flexibilidade.

O processo não é isento de custos, porque muito pouco tiolenos deixa os polímeros cristalinos propensos a rachar sob estresse, enquanto muito amortece a eficiência do material.

Testes ajudaram o laboratório a encontrar sua Zona Goldilocks. “Se substituíssemos 50% da camada ativa por essa malha, o material teria 50% menos luz e a corrente cairia”, disse Verduzco. “Em algum momento, não é prático. Mesmo depois de confirmarmos que a rede estava se formando, precisávamos determinar quanto tioleno nós precisávamos para suprimir a fratura e o máximo que poderíamos colocar sem torná-la inútil como um dispositivo eletrônico.”

As células mantinham sua eficiência e ganhavam flexibilidade com cerca de 20% de tioleno. “Eles são pequenas moléculas e não perturbam muito a morfologia”, disse Verduzco. “Podemos brilhar luz ultravioleta ou aplicar calor ou apenas esperar, ao longo do tempo a rede se formará, a química é leve, rápida e eficiente.”

O próximo passo foi esticar o material. “O P3HT puro (a camada ativa baseada em politiofeno) começou a quebrar a uma tensão de cerca de 6%”, disse Verduzco. “Quando adicionamos 10% de tioleno, poderíamos aumentar 14%. Com cerca de 16% de tensão, começamos a ver rachaduras em todo o material.”

Em tensões superiores a 30%, o material fluía muito bem, mas se tornou inútil como célula solar. “Descobrimos que essencialmente não há perda em nossa fotocorrente até cerca de 20%”, disse ele. “Esse parece ser o ponto ideal.”

Danos sob tensão afetaram o material mesmo quando a tensão foi liberada. “A tensão afeta como esses domínios cristalinos se encaixam e se traduz em quebras microscópicas no dispositivo”, disse Verduzco. “Os buracos e elétrons ainda precisam de caminhos para chegar aos eletrodos opostos”.

Ele disse que o laboratório espera testar diferentes materiais fotovoltaicos orgânicos enquanto trabalha para torná-los mais elásticos, com menos aditivo para células de teste maiores.