A Conversão de Fótons Pode Expandir o Potencial do Hidrogênio Solar

Quando se trata de converter a luz solar em energia útil, muito esforço tem sido direcionado para a fotovoltaica, pois este é um método que pode transformar grande parte da energia emitida pelo Sol em eletricidade.

No entanto, isso não significa que seja a opção mais eficiente para todas as aplicações. Por exemplo, se o objetivo é produzir hidrogênio verde, cria-se um processo em várias etapas onde a eficiência é perdida em cada fase: luz solar → energia → transmissão → eletrólise → hidrogênio.

É por isso que diferentes abordagens foram investigadas, notadamente o uso da luz solar diretamente para converter água em hidrogênio, um processo conhecido como fotocatálise.

O problema é que, mesmo com os catalisadores corretos, a maior parte da luz solar está nas faixas visível e infravermelha, que simplesmente não possuem energia suficiente para dividir moléculas de água em hidrogênio. Portanto, mesmo com silicon carbide boosting photocatalysis efficiency, ainda não é ideal. Em grande parte, somente a parte ultravioleta (UV) do espectro luminoso é suficientemente forte.

É por isso que a descoberta de pesquisadores japoneses da Universidade de Kyushu e do Instituto de Ciências Moleculares, SOKENDAI, de que um novo método em estado sólido poderia ser usado para aumentar os níveis de energia dos fótons pode ser um divisor de águas para a produção futura de hidrogênio verde. Eles publicaram seus resultados na prestigiosa revista Nature Communications¹, sob o título “Sistemas de elétrons π esteriamente protegidos para conversão de fótons em estado sólido eficiente”.

Do Visível ao UV

Fotocatálise da água em hidrogênio poderia impulsionar radicalmente a produção de energia verde. Isso porque o hidrogênio verde é um elemento‑chave que falta para armazenar energia ao longo de semanas e meses de baixa luz solar ou ausência de vento, e também o combustível perfeito para descarbonizar setores como transporte marítimo e aviação, seja diretamente ou através da produção de amônia e combustível artificial. Mas, infelizmente, apenas o UV é suficientemente forte para realizar a fotocatálise.

“Embora fotocatalisadores inorgânicos que utilizam luz ultravioleta (UV) tenham alcançado alta eficiência na divisão fotocatalítica da água, eles sofrem com a baixa fração de UV na luz solar (cerca de 3% para a faixa de 300–400 nm).”

Mas a alternativa pode não ser um catalisador melhor, e sim converter a luz visível, muito mais abundante, em UV, ou “conversão de fótons”.

Os pesquisadores concentraram‑se em um processo chamado triplet–triplet annihilation-based photon upconversion (TTA‑UC). Em sua explicação mais simples, isso combina dois fótons de baixa energia em um único fóton de energia mais alta ao serem absorvidos por uma molécula aceitadora antes de serem reemitidos.

Fonte: Nature

Otimizando a Estabilidade da Conversão de Fótons

Do Líquido aos Cristais

Até o momento, métodos de conversão usando moléculas como 1,4-bis((triisopropylsilyl)ethynyl)naphthalene (TIPS‑Nph) e 2,5-diphenyloxazole (PPO) apresentam bons rendimentos quânticos (ΦUC), mas a volatilidade do solvente representa uma limitação crítica para aplicações em dispositivos e uso a longo prazo.

Uma solução prática consiste em precisar de materiais estáveis que possam ser implantados em escala, com manutenção mínima ou inexistente, de modo que campos inteiros de conversores fotocatalíticos possam ser instalados para produzir hidrogênio verde em massa.

Em cristais e aceitadores sólidos, um fenômeno chamado supressão de singlete pode reduzir o rendimento quântico.

Os pesquisadores utilizaram substituição por cadeias alquila (adição de cadeias de carbono mais longas) nas moléculas orgânicas usadas como aceitadores para aumentar tanto a estabilidade quanto reduzir as ocorrências de supressão de singlete.

Fonte: Nature

Medindo o Desempenho dos Cristais

Os pesquisadores usaram uma molécula chamada DHI (5,10-dihydroindeno[2,1-a]indene) com um rendimento quântico quase perfeito de 96% quando em forma líquida (solução). Mas normalmente o rendimento diminui drasticamente quando em forma cristalina.

Ao adicionar as cadeias de carbono extras à molécula, a forma cristalina do DHI pode alcançar rendimentos quânticos de até 64%‑69%. Esses resultados elevados indicam que as moléculas doador estão uniformemente dispersas dentro do cristal aceitador, permitindo uma sensibilização de triplet eficiente.

Fonte: Nature

O material também pode ser produzido com técnicas simples de formação de filmes, como fundição em temperatura ambiente e spin coating, sem exigir nenhum tratamento térmico especial, tornando‑o mais provável de ser relevante para qualquer aplicação industrial futura em larga escala.

O processo também tolera oxigênio e até o requer, o que significa que não precisa ocorrer em um ambiente selado e livre de oxigênio, outro elemento importante a ser alcançado para aplicações comerciais.

“O TTA‑UC é ativado quando o oxigênio no sistema é consumido pela conversão em oxigênio singlete. O filme iBu‑DHI/Ir(ppy)3 mostrou conversão ascendente no ar mesmo sob irradiação intensa (λdt = 370 nm, Iex = 2.0 W cm–2) por mais de 1 h.”

Fonte: Nature

O desempenho dos cristais geralmente depende da estrutura microscópica ao nível atômico. Portanto, os pesquisadores primeiro realizaram cálculos teóricos para determinar a provável estrutura desses cristais.

Em seguida, testaram o cristal com cristalografia de raios X e descobriram que os padrões de difração dos cristais individuais e dos filmes obtidos por spin coating eram semelhantes, demonstrando por que este método funcionou.

Fonte: Nature

Isso não significa que os cristais não possam ser otimizados ainda mais, com rendimentos ainda maiores teoricamente possíveis mediante um método mais preciso para controlar a criação dos cristais individuais e sua organização em uma camada fina.

“O desempenho do presente sistema sólido Vis‑to‑UV TTA‑UC poderia ser ainda aprimorado otimizando a estrutura molecular do doador e empregando um processo de cristalização controlada.”

Aplicações Futuras

Atualmente, a produção de hidrogênio é dominada pelo “hidrogênio cinza” produzido a partir de combustíveis fósseis, e uma pequena mas crescente parcela é feita a partir de energia renovável, ou “hidrogênio verde”, que ainda luta para ser economicamente competitivo em relação a outros combustíveis.

Em última análise, captar diretamente a luz solar e usá‑la para produzir hidrogênio, sem transmissão maciça de energia, baterias, cabos e eletrocatalisadores, poderia reduzir drasticamente o preço total de tal instalação. A ausência de etapas intermediárias também melhoraria a eficiência energética geral da produção de hidrogênio verde, um problema sério nos métodos que utilizam eletrocatalise.

“O princípio de design dos cromóforos DHI π‑protegidos desenvolvidos neste estudo será amplamente estendido a vários cromóforos. Ele possibilita excelentes propriedades de TTA‑UC em filmes finos preparados por simples spin‑coating e drop‑casting, abrindo caminho para amplas aplicações e prometendo revolucionar a química foto‑funcional envolvendo triplet excitados.”

Esses novos materiais em estado sólido com boa estabilidade poderiam tornar viáveis comercialmente materiais fotônicos de próxima geração, convertendo fótons de baixa intensidade e abundantes em fótons UV de alta intensidade que geram hidrogênio.

Investindo em Energia Solar Avançada

First Solar

Atualmente, a maioria dos painéis fotovoltaicos do mundo é produzida na China, graças ao extenso ecossistema do país na produção de policristal de silício e na fabricação de células solares.

No entanto, existe outra tecnologia além das células solares baseadas em silício, e um dos sobreviventes da indústria solar no Ocidente, a First Solar, está liderando neste campo, usando células solares de telureto de cádmio. Elas são tanto mais fáceis de produzir (tecnologia de filme fino) quanto têm maior eficiência que as células baseadas em silício, embora com custos mais altos para sua matéria‑prima.

Esse tipo de célula também é mais durável, o que pode mudar a equação tanto para proprietários residenciais quanto para empresas de serviços públicos ao calcular o custo de vida útil de uma célula solar e sua depreciação. Isso é especialmente verdadeiro, pois o rápido progresso no rendimento das células solares e a queda de custos têm desacelerado nos últimos anos.

Fonte: First Solar

Como a produção de células de telureto de cádmio é um processo de fabricação quase totalmente automatizado, ela é relativamente menos sensível às diferenças nos custos de mão‑de‑obra. Isso pode tornar sua produção em países ocidentais muito mais competitiva, especialmente quando são vendidas localmente, e elimina os custos de transporte da equação.

Em vez de múltiplas fábricas, com cada ator especializado em um segmento como a purificação de policristal de silício, e com muitos dias para produzir uma célula solar, a First Solar pode passar de matérias‑primas ao produto final em menos de 4 horas.

Fonte: Department Of Energy

A longo prazo, a First Solar espera ser capaz de reciclar totalmente o telureto de cádmio das células antigas, e 90% do total de células solares. Os 5‑10% restantes do sucata de módulos reciclados consistem principalmente de finas partículas de vidro, que são capturadas por sistemas de controle de poeira e filtros de ar particulado de alta eficiência (HEPA).

Isso poderia reduzir os custos de material, eliminar o custo ecológico da extração de recursos e remover quaisquer riscos de poluição.

“Com cada módulo vendido, também vendemos o serviço de recolher os módulos ao final de sua vida útil e reciclá‑los. Isso foi basicamente 8 anos antes da regulamentação chegar à Europa. Agora temos a diretiva de resíduos eletrônicos onde a PV faz parte disso.”

Andreas Wade – Global Sustainability Director at First Solar Future Techs

Além do telureto de cádmio, a First Solar também está explorando tecnologias de células solares ainda mais avançadas, como perovskita e células híbridas de telureto de cádmio‑perovskita, que podem ter maior eficiência e ainda mais durabilidade.

A longo prazo, a experiência da First Solar na produção de painéis fotovoltaicos de filme fino também poderia ser aplicada a células fotocatalíticas para produção de hidrogênio.

No geral, a First Solar é uma ótima ação para investidores que desejam investir no boom da energia solar com foco em produtores ocidentais, em vez dos produtores chineses, mais sensíveis geopoliticamente.

(Você pode ler mais sobre a First Solar em nosso relatório de investimento dedicado à empresa e sobre energia solar em nosso relatório “A Era Solar – Um Futuro Brilhante para a Humanidade”)

Últimas Notícias e Desenvolvimentos das Ações da First Solar (FSLR)

Estudo Referenciado

^{1. Harada, N., Shoyama, H., Boonmong, N. et al. Sistemas de elétrons π esteriamente protegidos para conversão de fótons em estado sólido eficiente. Nature Communications. 17, 5134 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-73898-0}