Nome Completo:

Lucas Andrade Teixeira de Souza

Unidade da USP:

Instituto de Física

Programa de Pós-Graduação:

Mestrado acadêmico em Física

Nível:

Mestrado

Resumo:

A energia proveniente do sol — denominada de energia solar — é fundamental para a manutenção da vida na Terra, sendo essencial para manter o planeta a uma temperatura habitável para nós, humanos. Também é a principal fonte de energia no processo de fotossíntese, que permite o crescimento e desenvolvimentos das plantas — uma das bases de toda a nossa cadeia alimentar. A energia solar é uma fonte limpa, pois não contribui para o aumento da emissão de gases do efeito estufa, o que é um ponto essencial para frear o aquecimento intensificado do planeta causado pela humanidade nos últimos dois séculos. Há duas formas de aproveitar esta energia e convertê-la em energia elétrica: a via térmica e a via fotovoltaica. Os dispositivos que utilizam a via térmica funcionam como uma usina térmica convencional. No entanto, a radiação solar é usada para evaporar um líquido — geralmente água — e usar este vapor para movimentar uma turbina, gerando energia elétrica. A via fotovoltaica, por outro lado, tem a capacidade de converter diretamente a luz solar em eletricidade. Esta técnica apresenta diversas vantagens por ser uma conversão instantânea da energia luminosa em energia elétrica e por suas usinas terem um tamanho bastante compacto, com painéis solares comerciais apresentando uma área de geralmente de 2 m². Entretanto, as células fotovoltaicas comuns apresentam um limite de eficiência teórico de 33% calculado a partir dos princípios físicos de seu funcionamento. Esta limitação se deve, principalmente, a uma propriedade que emerge da física quântica, que faz com que alguns materiais apresentem uma faixa de energia proibida para os elétrons em seu interior — que é chamado de banda proibida ou gap (em inglês). A presença deste gap faz com que o material somente consiga absorver parte do espectro luminoso do sol, sendo transparente para a luz com frequência abaixo de um valor máximo. Esta faixa proibida limita a absorção do dispositivo, mas também é essencial para otimizar a energia absorvida, evitando que ela seja totalmente convertida em calor no material. Neste trabalho, estudamos formas de contornar esta limitação e aumentar a eficiência das células fotovoltaicas. Para isso, utilizamos estruturas de tamanho muito reduzido (nanoestruturas), que são chamadas de pontos quânticos, para absorver a luz solar em algumas faixas do espectro não aproveitado nos dispositivos comuns e aumentar a corrente total gerada na célula fotovoltaica. Inicialmente, simulamos por computador as propriedades da célula solar que receberia esses pontos quânticos e otimizamos a sua estrutura para melhorar seu desempenho. Na sequência, fabricamos 5 dispositivos contendo um novo tipo de pontos quânticos, mudando um dos seus parâmetros, e estudamos os efeitos sobre a absorção e a eficiência deles.