Este novo dispositivo termoelétrico orgânico gera eletricidade a partir de "calor de baixa temperatura" (próximo à temperatura ambiente) e sem necessidade de gradiente de temperatura, o que significa que nenhuma unidade de resfriamento é necessária, tornando o dispositivo muito compacto.
[Imagem: Chihaya Adachi/Kyushu University]

Termoelétrico orgânico

Os materiais termoelétricos permitem fabricar geladeiras de estado sólido, sem quaisquer partes móveis, além de também funcionarem ao contrário, podendo aproveitar qualquer calor residual para gerar eletricidade.

Embora existam há décadas e sejam usados até na exploração espacial - as históricas sondas Voyager e o robô marciano Curiosidade os utilizam -, esses materiais são caros porque são fabricados com materiais raros, e os mais eficientes são feitos a partir de componentes tóxicos, como chumbo e telúrio.

Mas a tecnologia acaba de superar esses problemas, além de ter ficado ainda mais eficiente.

Shun Kondo e colegas da Universidade Kyushu, no Japão, criaram um material termoelétrico cujos elementos centrais são compostos orgânicos e, tão interessante quanto, não precisa de um diferencial de temperatura para funcionar.

"Estávamos investigando maneiras de fazer um dispositivo termoelétrico que pudesse coletar energia da temperatura ambiente. Nosso laboratório se concentra na utilidade e aplicação de compostos orgânicos, e muitos compostos orgânicos têm propriedades únicas, pelas quais podem facilmente transferir energia entre si," explicou o professor Chihaya Adachi, coordenador da equipe. "Um bom exemplo do poder dos compostos orgânicos pode ser encontrado nos OLEDs e nas células solares orgânicas."

O fato de converter o calor em eletricidade em temperatura ambiente vira o jogo no campo da colheita de energia porque o calor de baixa temperatura é abundante até mesmo em ambientes vivos, mas até agora não era considerado uma possível fonte de energia.

Diagrama esquemático do novo coletor de energia a partir do calor.
[Imagem: Shun Kondo et al. - 10.1038/s41467-024-52047-5]

Colheita de calor residual

A chave para o sucesso consistia em encontrar compostos orgânicos que funcionassem bem como interfaces de transferência de carga, ou seja, substâncias que possam transferir elétrons entre si com eficiência elevada.

Após testar vários materiais, a equipe encontrou dois compostos viáveis: A ftalocianina de cobre (CuPc) e a ftalocianina hexadecafluoro de cobre (F16CuPc).

"Para melhorar a propriedade termoelétrica dessa nova interface, também incorporamos fulerenos e BCP [composto orgânico derivado da fenantrolina]," continua Adachi. "Estes materiais são conhecidos por serem bons facilitadores do transporte de elétrons. Adicionar esses compostos aumentou significativamente a potência do dispositivo. No final, tivemos um dispositivo otimizado com uma camada de 180 nm de CuPc, 320 nm de F16CuPc, 20 nm de fulereno e 20 nm de BCP."

O protótipo neste estágio da pesquisa apresentou uma tensão de circuito aberto de 384 mV, uma densidade de corrente de curto-circuito de 1,1 ?A/cm2 e uma saída máxima de 94 nW/cm2. Todos estes resultados foram obtidos em temperatura ambiente, sem o uso de um gradiente de temperatura.

"Tem havido avanços consideráveis no desenvolvimento de dispositivos termoelétricos, e nosso novo dispositivo orgânico certamente ajudará a levar as coisas adiante," comentou o professor Adachi. "Pretendemos continuar trabalhando neste novo dispositivo e ver se podemos otimizá-lo ainda mais com materiais diferentes. Podemos até mesmo atingir uma densidade de corrente maior se aumentarmos a área do dispositivo, o que é incomum até mesmo para materiais orgânicos. Isso só mostra que os materiais orgânicos têm um potencial incrível."