Por simulação computacional, cientistas selecionam materiais para células solares de alto desempenho

Equipe do Centro de Inovação em Novas Energias avaliou 72 materiais bidimensionais da família dos metais de transição dicalcogenados e indicou os três mais promissores. Resultados podem ser conferidos no periódico ACS Applied Energy Materials

Agência FAPESP* – Os metais de transição dicalcogenados (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 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 do Centro de Inovação em Novas Energias (CINE) 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, explica a equipe do CINE, um Centro de Pesquisa em Engenharia (CPE) constituído pela FAPESP e pela Shell na Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), Universidade de São Paulo (USP) e no Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (Ipen). Os resultados foram divulgados no periódico ACS Applied Energy Materials.

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 – apresentavam 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.

Para descrever adequadamente esse conjunto de características de TMDs bidimensionais, os cientistas tiveram que desenvolver uma estrutura metodológica que combina três ferramentas computacionais. Além de ser robusta, confiável e fácil de usar, a metodologia envolve custos computacionais relativamente baixos e poderá ser utilizada em estudos posteriores.

“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”, diz Alexandre Cavalheiro Dias, pós-doutorando no Programa de Ciência Computacional de Materiais e Química do CINE e coautor do artigo.

As três composições mais promissoras, que apresentaram cerca de 20% de eficiência na conversão de energia, foram as heterojunções MoTe2/MoSe2, MoSe2/WS2 e 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”, comenta Dias. “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”, diz o pesquisador à Assessoria de Comunicação do CINE.

O trabalho faz parte do projeto de pós-doutorado de Dias, sob supervisão do professor Juarez L. F. Da Silva, coordenador do Programa de Ciência Computacional de Materiais e Química no CINE. Os cálculos foram realizados no IQSC-USP e no supercomputador Santos Dumont, do Laboratório Nacional de Computação Científica.

O artigo Excitonic Effects on Two-Dimensional Transition-metal Dichalcogenide Monolayers: The Impact on the Solar Cell Efficiency, de Alexandre Cavalheiro Dias, Helena de Souza Bragança Rocha, João Paulo A. de Mendonça e Juarez L. F. Da Silva, pode ser lido em: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaem.0c03039.

* Com informações da Assessoria de Comunicação do CINE.