Embora a eficiência de conversão de energia das células solares de perovskita (PVSCs) - um futuro das células solares - já tenha melhorado muito na última década, os problemas de instabilidade e potencial impacto ambiental ainda precisam ser superados. Recentemente, cientistas da City University of Hong Kong (CityU) desenvolveram um novo manãtodo que pode combater simultaneamente o vazamento de chumbo de PVSCs e o problema de estabilidade sem comprometer a eficiência, abrindo caminho para a aplicação da tecnologia fotovoltaica perovskita na vida real.

A equipe de pesquisa éco-liderada pelo Professor Alex Jen Kwan-yue, Reitor da CityU e Professor Catedra¡tico de Quí­mica e Ciência dos Materiais, juntamente com o Professor Xu Zhengtao e o Dr. Zhu Zonglong do Departamento de Quí­mica. Os resultados da pesquisa foram publicados recentemente na revista cienta­fica Nature Nanotechnology , intitulada "Estrutura metal-orga¢nica 2-D para células solares de perovskita esta¡veis ​​com vazamento de chumbo minimizado."

Atualmente, a mais alta eficiência de conversão de energia de PVSCs estãono mesmoníveldas células solares de sila­cio de última geração. No entanto, as perovskitas usadas contem componente de chumbo, o que levanta uma preocupação quanto a  potencial contaminação ambiental. "Amedida que a canãlula solar envelhece, as espanãcies de chumbo podem vazar atravanãs dos dispositivos, por exemplo, atravanãs da águada chuva para o solo, representando uma ameaça de toxicidade ao meio ambiente", explicou o professor Jen, que éespecialista em PVSCs. "Colocar PVSCs em usos comerciais em larga escala, requer não apenas alta eficiência de conversão de energia, mas também estabilidade de longo prazo do dispositivo e impacto ambiental minimizado."

Colaborando com o professor Xu, cuja especialidade éa sa­ntese de materiais, o professor Jen e o Dr. Zhu lideraram a equipe para superar os desafios acima, aplicando estruturas metal-orga¢nicas (MOFs) bidimensionais (2-D) a PVSCs. "Somos a primeira equipe a fabricar dispositivos PVSC com vazamento de chumbo minimizado, boa estabilidade de longo prazo e alta eficiência de conversão de energia simultaneamente", o professor Jen resumiu o avanço da pesquisa.

Materiais de estrutura metal-orga¢nica (MOF) foram previamente aplicados como andaimes para modelar o crescimento de perovskitas. Os cientistas também os usaram como aditivos ou modificadores desuperfÍcie para passivar (para reduzir a reatividade dasuperfÍcie do material) os defeitos das perovskitas para melhorar o desempenho e a estabilidade do dispositivo.

No entanto, a maioria dos MOFs 3-D são bastante isolantes elanãtricos com baixa mobilidade do portador de carga, portanto, inadequados para serem usados ​​como materiais de transporte de carga.

Mas os MOFs preparados pelo professor Xu são diferentes. Eles tem uma estrutura 2-D semelhante a um favo de mel, equipados com vários grupos de tiol como funcionalidade principal. Eles possuem na­veis de energia adequados, permitindo-lhes ser uma camada de extração de elanãtrons (também chamada de "camada de coleta de elanãtrons") onde os elanãtrons são finalmente coletados pelo eletrodo dos PVSCs. "Nossos MOFs de engenharia molecular possuem a propriedade de um semicondutor multifuncional e podem ser usados ​​para aumentar a eficiência de extração de carga", explicou o professor Xu.

Mais importante ainda, as matrizes densas de grupos tiol e dissulfeto nos MOFs podem "capturar" a­ons de metais pesados ​​na interface perovskita-eletrodo para mitigar o vazamento de chumbo.

"Nossos experimentos mostraram que o MOF usado como camada externa do dispositivo PVSC capturou mais de 80% dos a­ons de chumbo vazados da perovskita degradada e formou complexos insolaºveis em águaque não contaminariam o solo", explicou o professor Jen. Ao contra¡rio dos manãtodos de encapsulamento fa­sico usados ​​na redução do vazamento de chumbo em outros estudos, esta sorção química in-situ de chumbo pelo componente MOF integrado no dispositivo foi considerada mais eficaz e sustenta¡vel para aplicações prática s de longo prazo.

Além disso, este material MOF pode proteger perovskitas contra umidade e oxigaªnio, mantendo alta eficiência.

A eficiência de conversão de energia de seu dispositivo PVSC modificado com MOF pode chegar a 22,02% com um fator de preenchimento de 81,28% e tensão de circuito aberto de 1,20 V. Tanto a eficiência de conversão quanto a tensão de circuito aberto registradas estãoentre os maiores valores relatados para o PVSCs planares invertidos. Ao mesmo tempo, o dispositivo apresentou estabilidade superior em ambiente com umidade relativa de 75%, mantendo 90% de sua eficiência inicial após 1.100 horas. Em contraste, a eficiência de conversão de energia do PVSC sem MOF caiu significativamente para menos de 50% de seu valor original.

Além disso, seu dispositivo reteve 92% de sua eficiência inicial sob irradiação de luz conta­nua por 1.000 horas a 85 ° C. "Essenívelde estabilidade já atendeu ao padrãode comercialização estabelecido pela Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC)", disse o Dr. Zhu.

"Este éum resultado muito significativo que provou que nosso manãtodo MOF étecnicamente via¡vel e tem potencial para comercializar a tecnologia PVSC", acrescentou o professor Jen.

A equipe levou quase dois anos para realizar essa pesquisa promissora. O pra³ximo passo seráaumentar ainda mais a eficiência da conversão de energia e explorar as maneiras de reduzir o custo de produção.

"Esperamos que no futuro a fabricação desse tipo de PVSCs seja como 'imprimir' jornais e facilmente ampliada na produção, facilitando a implantação em larga escala de PVSCs altamente eficientes para aplicações de energia limpa", concluiu o professor Jen.