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A revolução dos nanosemicondutores de silício: como aumentar a eficiência das células solares em 40%?
À medida que a procura global de energia continua a crescer, é cada vez mais importante desenvolver tecnologias de geração e armazenamento de energia mais eficientes e sustentáveis. De acordo com o Dr. Wade Adams, da Rice University, a energia será a questão mais premente que a humanidade enfrentará nos próximos 50 anos, e a nanotecnologia tem potencial para resolver este problema. Este campo relativamente novo da ciência e da engenharia já demonstrou o seu impacto significativo na indústria energética.
Nanotecnologia é definida como qualquer tecnologia que contenha partículas com uma dimensão inferior a 100 nanômetros.
Ao manipular estas partículas, os cientistas estão a avançar no sentido de desenvolver produtos de consumo mais eficientes. Os designs destes produtos mostraram vantagens na melhoria da eficiência de iluminação e aquecimento, aumento da capacidade de armazenamento de energia elétrica e redução de poluentes no uso de energia. Tais benefícios tornam o investimento de capital em investigação e desenvolvimento em nanotecnologia uma prioridade.
Análise de nanomateriais comumente usada
Um importante subcampo da nanotecnologia relacionada à energia é a nanofabricação, que é o processo de projetar e fabricar dispositivos em nanoescala. Ser capaz de criar dispositivos menores que 100 nanômetros abre muitos novos caminhos para capturar, armazenar e fornecer energia. Melhorar a precisão das técnicas de nanofabricação é fundamental para resolver muitos dos problemas energéticos que o mundo enfrenta atualmente.
Materiais à base de grafeno
Os materiais à base de grafeno estão recebendo grande atenção no armazenamento de energia. O grafeno é um alótropo de carbono que existe em uma folha bidimensional de átomos de carbono em uma estrutura de rede hexagonal. Esses materiais são favorecidos por sua leveza, inércia química e baixo custo. Os derivados químicos do óxido de grafeno podem desempenhar um papel fundamental no design de baterias, especialmente na melhoria de baterias de lítio-enxofre de alta eficiência, de acordo com a pesquisa.
Nanosemicondutores baseados em silício
Nanosemicondutores à base de silício são a tecnologia mais útil em aplicações de energia solar. A pesquisa mostra que organizar nanopartículas de silício em uma superfície de uma maneira específica pode absorver uma gama mais ampla de comprimentos de onda eletromagnéticos, aumentando significativamente a eficiência. Uma pesquisa da Universidade de Kyoto provou que esses semicondutores de tamanho nanométrico podem aumentar a eficiência das células solares em pelo menos 40%.
Materiais à base de nanocelulose
A celulose é o polímero natural mais abundante na Terra. Atualmente, estruturas mesoporosas e filmes elásticos à base de nanocelulose são amplamente utilizados em dispositivos fotovoltaicos e sistemas de armazenamento de energia e têm potencial para fornecer soluções sustentáveis para questões ambientais.
Aplicações energéticas de nanoestruturas
Nanomateriais unidimensionais
Nanoestruturas unidimensionais mostram potencial para melhorar a densidade de energia, segurança e ciclo de vida das baterias de lítio. A aplicação desses materiais em eletrodos de bateria pode efetivamente encurtar os caminhos de transmissão de íons e elétrons e melhorar significativamente o desempenho da bateria.
Nanomateriais bidimensionais
O que torna os nanomateriais bidimensionais especiais é o controle preciso de suas propriedades; no entanto, esse ajuste também pode desencadear desafios de estabilidade estrutural; Embora as propriedades dos nanomateriais 2D possam ser ajustadas, seus métodos de projeto ainda requerem pesquisas aprofundadas, especialmente na engenharia de canais em materiais sem camadas.
Casos de aplicação
Bateria de alto desempenho à base de lítio-enxofre
As baterias de lítio-enxofre atraíram a atenção global nos últimos anos porque sua densidade de energia é muito maior do que a das baterias de íon-lítio. Uma pesquisa da Fundação Nacional de Ciências Naturais da China mostra que as baterias de lítio-enxofre baseadas em nanoestruturas têm excelente desempenho de carga e descarga.
Aplicação de nanomateriais em células solares
As atuais células solares de última geração utilizam pilhas de múltiplas camadas de materiais semicondutores para aumentar a eficiência, mas as células solares disponíveis comercialmente são ainda menos eficientes. Através da tecnologia de nanoestruturação, o desempenho das células solares pode ser melhorado e maior eficiência de conversão de energia pode ser alcançada.
Aditivo de combustível de nanopartículas
Os nanomateriais também apresentam amplo potencial como aditivos de combustível na redução das emissões de carbono e na melhoria da eficiência do combustível. Por exemplo, as nanopartículas de zircônia demonstraram ser eficazes na catalisação da decomposição de hidrocarbonetos não queimados.
Impacto Econômico
A transformação na captura e armazenamento de energia provocada pela nanotecnologia trará muitos impactos económicos positivos para a sociedade. No futuro, à medida que o custo de produção de nanomateriais diminuir, a captura e o armazenamento de energia mais eficientes poderão reduzir os custos de energia.
Em geral, o desenvolvimento de nano-semicondutores de silício terá um impacto revolucionário na tecnologia das células solares, mas também levanta outra questão: Será que as futuras necessidades energéticas podem realmente ser satisfeitas?
