As perovskitas são as principais candidatas a eventualmente substituir o sila­cio como material de escolha para os painanãis solares. Eles oferecem o potencial de fabricação de baixo custo e baixa temperatura de células flexa­veis ultrafinas e leves, mas atéagora sua eficiência na conversão da luz solar em eletricidade ficou atrás da do sila­cio 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 canãlula de sila­cio ta­pica de hoje, que geralmente varia de 20 a 22 por cento, estabelecendo a base para melhorias futuras.

Ao adicionar uma camada condutora de dia³xido de estanho especialmente tratada ligada ao material de perovskita, que fornece um caminho melhorado para os portadores de carga na canãlula, e ao modificar a fa³rmula da perovskita, os pesquisadores aumentaram sua eficiência geral como canãlula solar para 25,2 por cento - um quase recorde para tais materiais, o que eclipsa a eficiência de muitos painanãis solares existentes. (Perovskitas ainda tem uma longevidade significativa em comparação ao sila­cio, no entanto, um desafio que estãosendo 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 elanãtrica e ciência da computação e Fariborz Maseeh Professor em Tecnologia Emergente Vladimir Bulović, e 11 outros no MIT, na Coreia do Sul e na Gea³rgia.

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. Ha¡ um grande número de combinações químicas possa­veis que podem formar perovskitas, e Yoo explica que esses materiais atraa­ram interesse mundial porque "pelo menos no papel, eles poderiam ser feitos muito mais barato do que o sila­cio ou arseneto de ga¡lio", um dos outros concorrentes principais . Isso se deve em parte aos processos de processamento e fabricação muito mais simples, que para o sila­cio ou arseneto de ga¡lio 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 sila­cio ou muitos outros substitutos candidatos éque ela forma camadas extremamente finas enquanto ainda captura a energia solar de forma eficiente. “As células de perovskita tem potencial para ser leves em comparação com o sila­cio, em ordens de magnitude”, diz Bawendi.

As perovskitas tem um bandgap maior do que o sila­cio, o que significa que absorvem uma parte diferente do espectro de luz e, portanto, podem complementar as células de sila­cio para fornecer eficiências combinadas ainda maiores. Mas, mesmo usando apenas perovskita, diz Yoo, “o que estamos demonstrando éque mesmo com uma única camada ativa, podemos fazer eficiências que ameaa§am o sila­cio e, esperana§osamente, dentro do alcance do arseneto de ga¡lio. E ambas as tecnologias existem hámuito 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 sandua­che que forma uma canãlula solar de perovskita - a camada de transporte de elanãtrons. A perovskita em si érevestida por uma camada condutora transparente usada para transportar uma corrente elanãtrica da canãlula para onde ela pode ser usada. No entanto, se a camada condutora estiver diretamente ligada a  própria perovskita, os elanãtrons 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 intermedia¡ria que pode deixar os elanãtrons passarem, evitando a recombinação.

Essa camada intermedia¡ria de transporte de elanãtrons e, especialmente, as interfaces nas quais ela se conecta a s camadas de cada lado dela, tendem a ser onde ocorrem ineficiências. Ao estudar esses mecanismos e projetar uma camada de a³xido de estanho que se conforma mais perfeitamente com as adjacentes, os pesquisadores conseguiram reduzir bastante as perdas.

O manãtodo que eles usam échamado de deposição em banho qua­mico. “a‰ como cozinhar lentamente em uma panela elanãtrica”, diz Bawendi. Com um banho a 90 graus Celsius, os precursores químicos se decompõem lentamente para formar a camada de dia³xido de estanho no local. “A equipe percebeu que se entendaªssemos os mecanismos de decomposição desses precursores, tera­amos um melhor entendimento de como esses filmes se formam. Conseguimos encontrar a janela certa na qual a camada de transporte de elanãtrons com propriedades ideais pode ser sintetizada. ”

Apa³s uma sanãrie 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 tea³rica 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 manãtodos que as pessoas estãodesenvolvendo agora para grandes escala, células de perovskita fabrica¡veis ​​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 émedida em meses, em comparação com décadas para células de sila­cio. Mas para alguns propósitos, Bawendi aponta, a longevidade pode não ser tão essencial. Muitos dispositivos eletra´nicos, como telefones celulares, por exemplo, tendem a ser substitua­dos dentro de alguns anos, de qualquer forma, pode haver algumas aplicações aºteis 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 estãose aproximando, então combinar nossas ideias neste artigo com ideias que outras pessoas tem 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 éum excelente trabalho por uma equipe internacional”. Ele acrescenta: “Isso pode levar a uma maior reprodutibilidade e a  excelente eficiência do dispositivo alcana§ada no laboratório, traduzindo-se em ma³dulos comercializados. Em termos de marcos cienta­ficos, eles não apenas atingem uma eficiência que foi o recorde certificado para células solares de perovskita durante grande parte do ano passado, mas também alcana§am tensaµes de circuito aberto de até97% do limite radiativo. Esta éuma 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 Avana§ado 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.