Atualizado 6 de abril de 2026
Cientistas desenvolvem célula solar com complexo de molibdênio capaz de atingir 130% de eficiência quântica, ampliando o limite fundamental da física. Um salto para capturar energia extra do fóton solar.
A pesquisa foi publicada no Journal of the American Chemical Society.
A seguir veremos como essa inovação quebra os limites tradicionais da física para criar energia solar e tornar a energia um bem abundante, acessível a todos. Em texto, imagens e vídeos.
Com 130% de eficiência quântica, o molibdênio prova que a abundância de energia limpa não é um sonho, é uma questão de engenharia atômica.
Estaremos prestes a ver o fim da era do petróleo e o nascimento de uma civilização baseada na luz abundante da estrela mãe?
Vídeo 1: Células Solares Ultrapassam 100% De Eficiência Com Avanço
Vídeo 2: Descobriram a PLACA SOLAR mais EFICIENTE do mundo?
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Geopolítica da energia: com um material que gera mais elétrons por fótons recebidos, a ciência desarma a bomba-relógio da escassez, os conflitos por energia e a sustentabilidade climática
E se a fonte de todos os conflitos energéticos do planeta pudesse ser resolvida por um ‘truque’ da física quântica?
Ao criar um material que gera mais elétrons do que fótons que recebe, a ciência não está apenas quebrando recordes de laboratório. Ela está desarmando a bomba-relógio da escassez e os conflitos por energia.
Além disso, seria um passo firme para a sonhada sustentabilidade ambiental, ao reduzir drasticamente as emissões de CO2, minimizando impactos nas mudanças climáticas.
Esse feito inédito foi alcançado por pesquisadores da Alemanha e do Japão. Eles ampliaram o limite fundamentam da física ao elevar a eficiência quântica de células solares para 130 %, usando um complexo metálico à base de molibdênio para capturar energia extra do fóton. Na prática significa que um único fóton pode mover mais elétrons.
Em um mundo fragmentado por conflitos geopolíticos centrados no controle de recursos finitos (petróleo e gás), a notícia de que a ciência quebrou a barreira dos 100% de eficiência quântica em células solares é um farol de um futuro de abundância energética.
O conceito de “Eficiência Quântica Externa (EQE)” acima de 100% é revolucionário e contra-intuitivo.
Tradicionalmente, um fóton de luz libera um elétron. Mas, a partir desta nova pesquisa, o uso do complexo de molibdênio permite um fenômeno chamado “Geração de Múltiplos Éxitos (MEG)”, onde um único fóton de alta energia (luz azul ou ultravioleta) consegue excitar e liberar dois ou mais elétrons.
Ao atingir 130%, os cientistas provaram que estamos multiplicando a colheita de energia da nossa estrela.
Na luta contra as mudanças climáticas, a energia solar é uma alternativa promissora aos combustíveis fósseis. A cada segundo, a Terra recebe uma enorme quantidade de energia do Sol.
No entanto, as células solares captam apenas uma fração dessa energia, limitadas por um “teto físico” que parecia impossível de ultrapassar.
Para compreender a conquista no campo da física de energia nesta pesquisa é importante saber a diferença entre eficiência energética de uma célula, geralmente calculado a partir do limite físico determinado.
Este último, é o próprio limite da física teórica dos materiais em gerar energia solar. Fator em relação ao qual a eficiência geral dos painéis é calculada. É isso que foi superado. E tem potencial para ir muito mais além.
Nesse sentido, já foi demonstrado recentemente que recordes de eficiência das células solares não são o melhor indicador de que você poderá comprar painéis solares mais eficientes no futuro próximo – o caminho do laboratório para o mercado é complicado.
Mas agora o assunto é diferente:
Os cientistas descobriram como romper uma barreira conhecida como o “teto físico” da capacidade que uma célula solar tem para capturar a luz do Sol. Ou seja, não é só aumento de eficiência, é aumento do limite da eficiência, que teoricamente pode até dobrar.
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A pesquisa abre caminho para superar os limites físicos das células solares, em especial o limite de Shockley-Queisser
O Sol fornece uma quantidade imensa de energia à Terra a cada instante, mas as células solares captam apenas uma pequena parte dela, uma “janela” do espectro solar.
Percy Samanamud e colegas das universidades Johannes Gutenberg (Alemanha) e Kyushu (Japão) descobriram um meio de superar essa limitação.
Com sua nova tática, a equipe alcançou eficiências de conversão de energia em torno de 130%, ou seja, eles superaram o que seria o limite tradicional (100%), abrindo caminho para tecnologias solares mais avançadas.
E o mecanismo envolvido é genérico, o que significa que ele tem aplicações potenciais além da energia solar, incluindo os LEDs e outros dispositivos emissores de luz, tecnologias fotônicas e até tecnologias quânticas emergentes.
Para visualizar como uma célula solar gera eletricidade, imagine uma corrida de revezamento entre partículas minúsculas. Os fótons da luz solar atingem um semicondutor e transferem sua energia para os elétrons, ativando-os e gerando uma corrente elétrica.
Mas os “corredores” na luz solar variam em capacidade. Fótons infravermelhos de baixa energia não conseguem excitar elétrons, enquanto os de alta energia, como a luz azul, perdem o excesso na forma de calor.
Como resultado, as células solares conseguem usar apenas cerca de um terço da luz solar. Esse limite, conhecido como limite de Shockley-Queisser, há muito tempo desafia os cientistas.
“Temos duas estratégias principais para superar esse limite”, diz Yoichi Sasaki, professor associado da Faculdade de Engenharia da Universidade de Kyushu.
“Uma delas é converter fótons infravermelhos de baixa energia em fótons visíveis de alta energia. A outra, que exploramos aqui, é usar a fissão de singlete (SF) para gerar dois excítons a partir de um único fóton de excíton.”
Normalmente, um fóton pode gerar, no máximo, um excíton de spin singleto após a excitação eletrônica. A fissão de singleto (SF) pode dividir esse excíton singleto de alta energia em dois excítons de spin tripleto de menor energia, teoricamente dobrando a energia.
Embora alguns semicondutores orgânicos, como o tetraceno, apresentem esse processo, capturar os excítons gerados pela SF ainda representa um desafio.
“A energia pode ser facilmente ‘roubada’ por um mecanismo chamado transferência de energia por ressonância de Förster (FRET) antes que a multiplicação ocorra”, explica Sasaki.
“Portanto, precisávamos de um aceptor de energia que capturasse seletivamente os éxcitons tripleto multiplicados após a fissão.”
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Descoberta do complexo metálico à base de molibdênio consegue capturar a energia extra gerada pela fissão de singletos, a “tecnologia dos sonhos” na energia solar
A novidade agora é que a equipe descobriu um material – um complexo metálico à base de molibdênio – que consegue capturar a energia extra gerada por um processo chamado fissão de singletos, frequentemente descrita como a “tecnologia dos sonhos” na energia solar.
O singleto é uma molécula do semicondutor cujo elétron recebeu energia do fóton solar, e essa molécula excitada então compartilha sua energia com uma molécula vizinha que está em estado fundamental.
Assim, em vez de perder o excesso de energia como calor, o estado singleto se “divide” em dois estados excitados de menor energia, chamados tripletos. Por decorrência, enquanto o padrão é 1 fóton = 1 elétron, a fissão de singletos permite que 1 fóton gere 2 elétrons.
Embora certos materiais, como o tetraceno, possam suportar esse processo, capturar essas cargas de forma eficiente tem-se mostrado difícil.
A equipe recorreu a complexos metálicos — moléculas cujas estruturas podem ser projetadas de forma flexível — e descobriu que um emissor de “inversão de spin” à base de molibdênio serve como um coletor ideal.
Nessas moléculas, um elétron inverte seu spin durante a absorção ou emissão de luz infravermelha próxima, permitindo que o sistema aceite a energia triplete produzida na fissão de spin (SF).
Ao ajustar cuidadosamente os níveis de energia, os pesquisadores suprimiram o processo FRET, que desperdiça energia, permitindo que os éxcitons multiplicados da SF fossem extraídos seletivamente.
“Não teríamos chegado a este ponto sem o grupo Heinze da JGU Mainz”, diz Sasaki. Adrian Sauer, um estudante de pós-graduação do grupo que estava em intercâmbio na Universidade de Kyushu e é o segundo autor do artigo, chamou a atenção da equipe para um material que já era estudado há muito tempo naquela universidade, o que levou à colaboração.
Ao combinar esse complexo com materiais à base de tetraceno em solução, a equipe conseguiu coletar energia, atingindo rendimentos quânticos de cerca de 130%, o que significa que aproximadamente 1,3 complexos metálicos à base de molibdênio foram excitados por fóton absorvido.
Isso excede o limite convencional de 100%, indicando que o sistema gerou e coletou mais portadores de energia do que fótons recebidos.
Este trabalho estabelece uma nova estratégia de design para a amplificação de excítons, embora a equipe observe que os experimentos atuais ainda estão na fase de prova de conceito.
Olhando para o futuro, eles planejam unir os dois tipos de materiais no estado sólido, visando a transferência eficiente de energia e a eventual integração em células solares funcionais.
Entretanto, eles esperam que o estudo inspire novas explorações na interseção entre fissão de singlete e complexos metálicos, com aplicações potenciais que vão desde células solares e LEDs até tecnologias quânticas de próxima geração.
Bibliografia
Curadoria Técnica e Análise Audiovisual: Conteúdo Bibliográfico e Audiovisual Selecionado e Validado por Dr. Sergio Almeida Loiola – CV Lattes/CNPq.
Journal of the American Chemical Society
Exploring Spin-State Selective Harvesting Pathways from Singlet Fission Dimers to a Near-Infrared-Emissive Spin-Flip Emitter
DOI: 10.1021/jacs.5c20500
Spin inversion in metal complexes can help solar cells overcome limitations
Universidade Johannes Gutenberg (JGU) de Mainz
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Revista Science
DOI: 10.1126/sciadv.adl6752
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