Tecnologia Científica

Pesquisadores melhoram a eficiência do material de célula solar de próxima geração
A redução das perdas internas pode abrir caminho para sistemas fotovoltaicos de baixo custo baseados em perovskita que combinam com a produção das células de silício.
Por David L. Chandler - 24/02/2021


Esta imagem mostra a energia fotovoltaica de perovskita no fundo com cristais de perovskita individuais mostrados como unidades coloridas. Créditos:Imagem: Gráfico CUBE3D

As perovskitas são as principais candidatas a eventualmente substituir o silício como material de escolha para os painéis solares. Eles oferecem o potencial de fabricação de baixo custo e baixa temperatura de células flexíveis ultrafinas e leves, mas até agora sua eficiência na conversão da luz solar em eletricidade ficou atrás da do silício e de algumas outras alternativas.

Agora, uma nova abordagem para o projeto de células de perovskita levou o material a se igualar ou exceder a eficiência da célula de silício típica de hoje, que geralmente varia de 20 a 22 por cento, estabelecendo a base para melhorias futuras.

Ao adicionar uma camada condutora de dióxido de estanho especialmente tratada ligada ao material de perovskita, que fornece um caminho melhorado para os portadores de carga na célula, e ao modificar a fórmula da perovskita, os pesquisadores aumentaram sua eficiência geral como célula solar para 25,2 por cento - um quase recorde para tais materiais, o que eclipsa a eficiência de muitos painéis solares existentes. (Perovskitas ainda têm uma longevidade significativa em comparação ao silício, no entanto, um desafio que está sendo trabalhado por equipes em todo o mundo.)

As descobertas são descritas em um artigo publicado na revista Nature pelo recente graduado do MIT Jason Yoo PhD '20, professor de química e Lester Wolfe Professor Moungi Bawendi, professor de engenharia elétrica e ciência da computação e Fariborz Maseeh Professor em Tecnologia Emergente Vladimir Bulović, e 11 outros no MIT, na Coreia do Sul e na Geórgia.

As perovskitas são uma ampla classe de materiais definidos pelo fato de terem um tipo particular de arranjo molecular, ou rede, que se assemelha ao mineral perovskita que ocorre naturalmente. Há um grande número de combinações químicas possíveis que podem formar perovskitas, e Yoo explica que esses materiais atraíram interesse mundial porque "pelo menos no papel, eles poderiam ser feitos muito mais barato do que o silício ou arseneto de gálio", um dos outros concorrentes principais . Isso se deve em parte aos processos de processamento e fabricação muito mais simples, que para o silício ou arseneto de gálio requerem um calor sustentado de mais de 1.000 graus Celsius. Em contraste, as perovskitas podem ser processadas a menos de 200 C, em solução ou por deposição de vapor.

A outra grande vantagem da perovskita sobre o silício ou muitos outros substitutos candidatos é que ela forma camadas extremamente finas enquanto ainda captura a energia solar de forma eficiente. “As células de perovskita têm potencial para ser leves em comparação com o silício, em ordens de magnitude”, diz Bawendi.

As perovskitas têm um bandgap maior do que o silício, o que significa que absorvem uma parte diferente do espectro de luz e, portanto, podem complementar as células de silício para fornecer eficiências combinadas ainda maiores. Mas, mesmo usando apenas perovskita, diz Yoo, “o que estamos demonstrando é que mesmo com uma única camada ativa, podemos fazer eficiências que ameaçam o silício e, esperançosamente, dentro do alcance do arseneto de gálio. E ambas as tecnologias existem há muito mais tempo do que os perovskitas. ”

Uma das chaves para a melhoria da eficiência do material pela equipe, explica Bawendi, estava na engenharia precisa de uma camada do sanduíche que forma uma célula solar de perovskita - a camada de transporte de elétrons. A perovskita em si é revestida por uma camada condutora transparente usada para transportar uma corrente elétrica da célula para onde ela pode ser usada. No entanto, se a camada condutora estiver diretamente ligada à própria perovskita, os elétrons e suas contrapartes, chamados buracos, simplesmente se recombinam no local e nenhuma corrente flui. No projeto dos pesquisadores, a perovskita e a camada condutora são separadas por um tipo aprimorado de camada intermediária que pode deixar os elétrons passarem, evitando a recombinação.

Essa camada intermediária de transporte de elétrons e, especialmente, as interfaces nas quais ela se conecta às camadas de cada lado dela, tendem a ser onde ocorrem ineficiências. Ao estudar esses mecanismos e projetar uma camada de óxido de estanho que se conforma mais perfeitamente com as adjacentes, os pesquisadores conseguiram reduzir bastante as perdas.

O método que eles usam é chamado de deposição em banho químico. “É como cozinhar lentamente em uma panela elétrica”, diz Bawendi. Com um banho a 90 graus Celsius, os precursores químicos se decompõem lentamente para formar a camada de dióxido de estanho no local. “A equipe percebeu que se entendêssemos os mecanismos de decomposição desses precursores, teríamos um melhor entendimento de como esses filmes se formam. Conseguimos encontrar a janela certa na qual a camada de transporte de elétrons com propriedades ideais pode ser sintetizada. ”

Após uma série de experimentos controlados, eles descobriram que diferentes misturas de compostos intermediários se formariam, dependendo da acidez da solução precursora. Eles também identificaram um ponto ideal de composições precursoras que permitiram que a reação produzisse um filme muito mais eficaz.

Os pesquisadores combinaram essas etapas com uma otimização da própria camada de perovskita. Eles usaram um conjunto de aditivos na receita da perovskita para melhorar sua estabilidade, o que já havia sido tentado antes, mas teve um efeito indesejado no bandgap do material, tornando-o um absorvedor de luz menos eficiente. A equipe descobriu que adicionando quantidades muito menores desses aditivos - menos de 1 por cento - eles ainda poderiam obter os efeitos benéficos sem alterar o bandgap.

A melhoria resultante na eficiência já levou o material a mais de 80 por cento da eficiência máxima teórica que tais materiais poderiam ter, diz Yoo.

Embora essas altas eficiências tenham sido demonstradas em pequenos dispositivos em escala de laboratório, Bawendi diz que "o tipo de insights que fornecemos neste artigo, e alguns dos truques que fornecemos, poderiam ser aplicados aos métodos que as pessoas estão desenvolvendo agora para grandes escala, células de perovskita fabricáveis ​​e, portanto, impulsionar essas eficiências. ”

Ao prosseguir com a pesquisa, existem dois caminhos importantes, diz ele: continuar a empurrar os limites de melhor eficiência e focar no aumento da estabilidade de longo prazo do material, que atualmente é medida em meses, em comparação com décadas para células de silício. Mas para alguns propósitos, Bawendi aponta, a longevidade pode não ser tão essencial. Muitos dispositivos eletrônicos, como telefones celulares, por exemplo, tendem a ser substituídos dentro de alguns anos, de qualquer forma, pode haver algumas aplicações úteis mesmo para células solares de vida relativamente curta.

“Acho que ainda não chegamos com essas células, mesmo para esse tipo de aplicação de curto prazo”, diz ele. “Mas as pessoas estão se aproximando, então combinar nossas ideias neste artigo com ideias que outras pessoas têm com estabilidade crescente pode levar a algo realmente interessante.”

Robert Hoye, professor de materiais no Imperial College London, que não fez parte do estudo, disse: “Este é um excelente trabalho por uma equipe internacional”. Ele acrescenta: “Isso pode levar a uma maior reprodutibilidade e à excelente eficiência do dispositivo alcançada no laboratório, traduzindo-se em módulos comercializados. Em termos de marcos científicos, eles não apenas atingem uma eficiência que foi o recorde certificado para células solares de perovskita durante grande parte do ano passado, mas também alcançam tensões de circuito aberto de até 97% do limite radiativo. Esta é uma conquista surpreendente para células solares cultivadas a partir de soluções. ”

A equipe incluiu pesquisadores do Instituto de Pesquisa de Tecnologia Química da Coreia, do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia, do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Ulsan e da Georgia Tech. O trabalho foi apoiado pelo Instituto de Nanotecnologia do Soldado do MIT, NASA, a empresa italiana Eni SpA por meio da Iniciativa de Energia do MIT, a Fundação Nacional de Pesquisa da Coreia e o Conselho Nacional de Pesquisa de Ciência e Tecnologia.

 

.
.

Leia mais a seguir