Tecnologia Científica

O material da célula solar tem melhor desempenho sob pressão
Pesquisadores da AMOLF agora revelaram que essa melhoria decorre da compressão da estrutura, comparável à aplicação de uma pressão considerável nela.
Por AMOLF - 15/07/2020


A segregação de brometo e iodeto em perovskitas resulta em um cenário energético não homogêneo, descrito como colinas e vales. Sob alta pressão, o iodeto e o brometo permanecem homogeneamente distribuídos, de modo que os perovskitas mantêm suas propriedades favoráveis ​​às células solares. Crédito da imagem: THISillustrations.com

As células solares produzidas a partir de uma combinação de silício e perovskita - especialmente a variante com halogenetos mistos, como iodo e bromo - podem ser mais eficientes e mais baratas que as células solares de silício tradicionais, porque convertem uma proporção maior da luz solar em eletricidade. No entanto, os perovskitas se degradam sob a influência da luz e, portanto, ainda não podem ser usados ​​para aplicações comerciais. Substituir o cátion (íon carregado positivamente) na estrutura melhora a estabilidade do material. Pesquisadores da AMOLF agora revelaram que essa melhoria decorre da compressão da estrutura, comparável à aplicação de uma pressão considerável nela. Eles publicaram seus resultados na Cell Reports Physical Science .

Intuição química

Uma perovskita consiste em um íon chumbo cercado por íons halogenetos, como íons iodo e bromo . Isso forma uma estrutura 3-D com gaiolas preenchidas com um cátion, como metilamônio. O problema é que, se a estrutura é iluminada, surgem áreas separadas no material onde ocorrem principalmente íons de iodo ou principalmente íons de bromo. A vantagem da mistura iodo-bromo nos perovskitas é então perdida: grande parte do espectro da luz é convertida em calor em vez de eletricidade.

Eline Hutter, química em treinamento e até este ano pesquisadora na AMOLF, pensou que a separação espontânea dos haletos poderia ser evitada sujeitando o material a alta pressão . "Na época, eu não sabia exatamente o porquê. Chamei isso de intuição química".

Experiências desafiadoras

O grupo Células Solares Híbridas da AMOLF desenvolveu anteriormente uma configuração que era muito útil neste caso: um espectrômetro de absorção transiente (TAS) que pode medir as propriedades eletrônicas dos perovskitas sob pressão muito alta . "Não existe outra configuração comparável que combine o TAS com uma célula de pressão no mundo", diz o líder do grupo, Bruno Ehrler. "Mas fiquei inicialmente cético em relação à ideia de Eline, em parte porque os experimentos que teríamos que fazer pareciam muito desafiadores".

Juntamente com sua colega Loreta Muscarella, Eline Hutter usou essa configuração para medir o que acontece depois que o material foi iluminado. "Se não houver pressão no material, observamos uma separação de bromo e iodo. Sob 3000 bar de pressão, vemos que a separação não ocorre mais."

Solução prática

Esse resultado confirmou a hipótese de Hutter de que o volume livre no material e, consequentemente, a pressão, desempenham um papel crucial na separação dos haletos. Produzir uma célula solar que está sob uma pressão tão alta é impraticável. No entanto, existe uma solução prática, explica Hutter. "Se substituirmos o cátion nas gaiolas da perovskita por um cátion menor, como o césio, ocorre a chamada contração química. Toda a estrutura diminui, exatamente como a terra que seca e se contrai. O efeito é exatamente o mesmo que sujeitar o material a alta pressão ".

Hutter e seus colegas usaram posteriormente o TAS para demonstrar que nessa perovskita quimicamente compactada , a separação de iodo e bromo não ocorre mais. Com isso, eles demonstraram que um aspecto esquecido da teoria é importante: o volume do material foi anteriormente excluído dos cálculos, diz Hutter. "Na minha opinião, o que torna essa pesquisa tão interessante é o elo entre a pressão externa e a interna".

Esta é uma descoberta vital para tornar os perovskitas estáveis, diz Ehrler. "O foco está principalmente na cinética: atrasar o movimento dos íons para retardar a separação. Agora, demonstramos que o aumento da pressão altera a termodinâmica: os íons se movem com a mesma rapidez, mas a separação de iodo e bromo não é mais energeticamente favorável. Para que a segregação não aconteça mais. "

 

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