Traçando um caminho para células solares flexíveis mais baratas

Um pesquisador da Georgia Tech possui uma célula solar baseada em perovskita, que é flexível e mais leve que as versões baseadas em silício. Crédito: Rob Felt, Georgia Tech

Há muito o que gostar sobre células solares baseadas em perovskita. Eles são simples e baratos de produzir, oferecem flexibilidade que pode desbloquear uma ampla gama de métodos e locais de instalação e, nos últimos anos, atingiram eficiências energéticas que se aproximam das tradicionais células à base de silício.

Mas descobrir como produzir dispositivos de energia baseados em perovskita que duram mais do que alguns meses tem sido um desafio.

Agora, pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia, da Universidade da Califórnia em San Diego e do Instituto de Tecnologia de Massachusetts relataram novas descobertas sobre as células solares de perovskita, que podem levar ao surgimento de dispositivos com melhor desempenho.

"As células solares de perovskita oferecem muitas vantagens potenciais porque são extremamente leves e podem ser feitas com substratos plásticos flexíveis", disse Juan-Pablo Correa-Baena, professor assistente na Escola de Ciência e Engenharia de Materiais da Georgia Tech. "Para poder competir no mercado com células solares à base de silício, elas precisam ser mais eficientes."

Em um estudo publicado em 8 de fevereiro na revista Science e patrocinado pelo Departamento de Energia dos EUA e pela National Science Foundation, os pesquisadores descreveram em maior detalhe os mecanismos de como adicionar metal alcalino às perovskitas tradicionais leva a um melhor desempenho.

"Os perovskitas podem realmente mudar o jogo na energia solar", disse David Fenning, professor de nanoengenharia da Universidade da Califórnia em San Diego. "Eles têm o potencial de reduzir custos sem perder desempenho. Mas ainda há muito a aprender fundamentalmente sobre esses materiais."

Para entender os cristais da perovskita, é útil pensar em sua estrutura cristalina como uma tríade. Uma parte da tríade é tipicamente formada a partir do elemento chumbo. A segunda é tipicamente constituída por um componente orgânico, como o metilamónio, e a terceira é frequentemente composta por outros halogenetos, como o bromo e o iodo.

Nos últimos anos, os pesquisadores se concentraram em testar diferentes receitas para obter melhores eficiências, como adicionar iodo e bromo ao componente principal da estrutura. Mais tarde, eles tentaram substituir o césio e o rubídio pela parte da perovskita normalmente ocupada por moléculas orgânicas.

"Nós soubemos de trabalhos anteriores que adicionar césio e rubídio a uma perovskita mista de chumbo e iodo leva a uma melhor estabilidade e maior desempenho", disse Correa-Baena.

Mas pouco se sabia por que a adição desses metais alcalinos melhorou o desempenho das perovskitas.

Para entender exatamente por que isso parecia funcionar, os pesquisadores usaram mapeamento de raios-X de alta intensidade para examinar as perovskitas em nanoescala.

"Ao olhar para a composição dentro do material da perovskita, podemos ver como cada elemento individual desempenha um papel na melhoria do desempenho do dispositivo", disse Yanqi (Grace) Luo, estudante de doutorado em nanoengenharia na UC San Diego.

Eles descobriram que, quando o césio e o rubídio eram adicionados ao bromo misturado e perovskita de chumbo iodo, ele fazia o bromo e o iodo se misturarem mais homogeneamente, resultando em eficiência de conversão até 2% maior do que os materiais sem esses aditivos.

"Descobrimos que a uniformidade na química e estrutura é o que ajuda uma célula solar de perovskita a operar em seu potencial máximo", disse Fenning. "Qualquer heterogeneidade nesse backbone é como um elo fraco na cadeia."

Mesmo assim, os pesquisadores também observaram que, embora a adição de rubídio ou césio fizesse o bromo e o iodo se tornarem mais homogêneos, os próprios halogenetos metálicos permaneceram relativamente agrupados, criando "zonas mortas" inativas na célula solar que não produzem corrente.

"Isso foi surpreendente", disse Fenning. "Ter essas zonas mortas normalmente mataria uma célula solar. Em outros materiais, elas agem como buracos negros que sugam elétrons de outras regiões e nunca os deixam ir, então você perde corrente e voltagem.

"Mas nesses perovskitas, vimos que as zonas mortas ao redor do rubídio e do césio não eram muito prejudiciais para o desempenho das células solares, embora houvesse alguma perda atual", disse Fenning. "Isso mostra como esses materiais são robustos, mas também que há ainda mais oportunidades de melhoria."

As descobertas contribuem para o entendimento de como os dispositivos baseados em perovskita funcionam em nanoescala e podem lançar as bases para futuras melhorias.

"Esses materiais prometem ser muito rentáveis ​​e de alto desempenho, o que é praticamente o que precisamos para garantir que os painéis fotovoltaicos sejam implantados amplamente", disse Correa-Baena. "Queremos tentar compensar as questões da mudança climática, então a ideia é ter células fotovoltaicas o mais baratas possível".

Fonte: Instituto de Tecnologia da Geórgia

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