Limite de Shockley-Queisser
Há mais de 60 anos impera uma espécie de lei da física sobre a eficiência das células solares, que estabelece que nenhuma célula solar conseguirá ter uma eficiência na conversão de luz em eletricidade superior a 33,7%.
Conhecido como limite de Shockley-Queisser, esse máximo teórico da eficiência das células solares foi estabelecido pelos trabalhos de William Shockley (1910-1989) e Hans-Joachim Queisser (1931-2025).
O limite SQ existe devido a perdas fundamentais e inevitáveis no processo de conversão da luz em eletricidade, incluindo perdas por termalização, por transmissão, por recombinação etc – células solares mais complexas (heterojunção) podem atingir uma eficiência quântica muito mais alta, mas aí são várias células individuais unidas em uma estrutura única.
Mas Zhigang Li e Bingqing Wei, da Universidade Shanghai Jiao Tong, na China, acabam de demonstrar experimentalmente eficiências entre 50 e 60% usando células solares de silício de junção única.
Essa eficiência recorde na conversão de energia foi alcançada inibindo as oscilações térmicas dos átomos da rede atômica do silício, usando para isso temperaturas muito baixas, entre 30 e 50 K (-243,15 e -223,15 ºC).
Além disso, a dupla demonstrou que aumentar a profundidade de penetração da luz pode efetivamente mitigar o congelamento dos elétrons, expandindo a faixa de temperatura operacional das células de silício para 10 K (-263,15 ºC) – abaixo de 150 K (-123,15 ºC), as células solares convencionais entram em colapso quando os elétrons ficam presas.
Prontas para o espaço
Assim, além de efetivamente dobrar o recorde de eficiência a temperatura ambiente, a descoberta abre uma rota prática para painéis solares mais eficientes em ambientes criogênicos e no espaço profundo. Robôs e veículos projetados para operar no Polo Sul da Lua, por exemplo, exigirão energia disponível na faixa de 30-40 K.
“Entender essas novas observações abre enormes oportunidades para projetar células solares com eficiência de conversão de energia ainda maior, para fornecer fontes de energia eficientes e poderosas para dispositivos criogênicos e explorações do espaço sideral e profundo,” escreveu a dupla.
Para tirar proveito de sua descoberta, os pesquisadores já estão fabricando células de 4 cm2 nos padrões exigidos para ir ao espaço, testando-as sob ciclo térmico rápido (20 – 300 K) e irradiação de prótons de 1 MeV, o que deverá qualificar seus protótipos para os padrões de carga útil lunar comercial da NASA.
Bibliografia:
Artigo: Surpassing Shockley-Queisser Efficiency Limit in Photovoltaic Cells
Autores: Zhigang Li, Bingqing Wei
Revista: Nano-Micro Letters
Vol.: 17, article number 330
DOI: 10.1007/s40820-025-01844-8