Veja por dentro a técnica RIR-MAPLE, que tem a capacidade de construir uma nova tecnologia de cristal de célula solar. O círculo branco no centro da mesa é uma solução congelada contendo os blocos de construção moleculares para o material da célula solar, que é explodido por lasers, vaporizar a solução que carrega os materiais para revestir a parte inferior do alvo acima. Crédito:E. Tomas Barraza
Cientistas de materiais da Duke University desenvolveram um método para criar materiais híbridos de película fina que, de outra forma, seriam difíceis ou impossíveis de fazer. A técnica pode ser a porta de entrada para novas gerações de células solares, diodos emissores de luz e fotodetectores.
A equipe de pesquisa descreveu seus métodos em 22 de dezembro, 2017 no jornal Cartas de energia ACS .
As perovskitas são uma classe de materiais que - com a combinação certa de elementos - têm uma estrutura cristalina que os torna particularmente adequados para aplicações baseadas em luz. Sua capacidade de absorver luz e transferir sua energia de forma eficiente os torna um alvo comum para pesquisadores que desenvolvem novos tipos de células solares, por exemplo.
A perovskita mais comum usada na energia solar hoje, iodeto de metilamônio chumbo (MAPbI3), pode converter luz em energia tão bem quanto os melhores painéis solares atualmente disponíveis no mercado. E pode fazer isso usando uma fração do material - uma lasca 100 vezes mais fina do que uma célula solar à base de silício típica.
O iodeto de chumbo metilamônio é uma das poucas perovskitas que podem ser criadas usando técnicas de produção padrão da indústria, embora ainda tenha problemas com escalabilidade e durabilidade. Para realmente desbloquear o potencial dos perovskitas, Contudo, novos métodos de fabricação são necessários porque a mistura de moléculas orgânicas e inorgânicas em uma estrutura cristalina complexa pode ser difícil de fazer. Os elementos orgânicos são particularmente delicados, mas são essenciais para a capacidade do material híbrido de absorver e emitir luz com eficácia.
Olhe mais de perto para o alvo da solução congelada que contém os blocos de construção para o material da célula solar. Crédito:E. Tomas Barraza
"O iodeto de chumbo de metilamônio tem um componente orgânico muito simples, ainda é um absorvedor de luz de alto desempenho, "disse David Mitzi, o Simon Family Professor de Engenharia Mecânica e Ciência dos Materiais na Duke. "Se pudermos encontrar uma nova abordagem de fabricação que possa construir combinações moleculares mais complexas, vai abrir novos domínios da química para materiais multifuncionais. "
No novo estudo, Mitzi junta-se à colega Adrienne Stiff-Roberts, professor associado de engenharia elétrica e da computação na Duke, para demonstrar essa abordagem de manufatura. A técnica é chamada de evaporação por laser pulsado assistida por matriz infravermelha ressonante, ou RIR-MAPLE para abreviar, e foi desenvolvido por Stiff-Roberts na Duke na última década.
Adaptado de uma tecnologia inventada em 1999 chamada MAPLE, a técnica envolve o congelamento de uma solução contendo os blocos de construção moleculares para a perovskita, e, em seguida, explodir o bloco congelado com um laser em uma câmara de vácuo.
Quando um laser vaporiza um pequeno pedaço do alvo congelado do tamanho de uma covinha em uma bola de golfe, o vapor viaja para cima em uma pluma que cobre a superfície inferior de qualquer objeto pendurado no alto, como um componente em uma célula solar. Uma vez que o suficiente do material se acumule, o processo é interrompido e o produto é aquecido para cristalizar as moléculas e fixar a película fina.
Na versão da tecnologia de Stiff-Roberts, a frequência do laser é ajustada especificamente para as ligações moleculares do solvente congelado. Isso faz com que o solvente absorva a maior parte da energia, deixando os delicados produtos orgânicos ilesos enquanto viajam para a superfície do produto.
Veja o interior da câmara RIR-MAPLE após o término do processo de deposição de filme fino. Nenhuma parte da solução congelada original é deixada no centro, já que tudo foi vaporizado para cobrir a parte inferior do alvo pendurado acima. Crédito:E. Tomas Barraza
"A tecnologia RIR-MAPLE é extremamente delicada com os componentes orgânicos do material, muito mais do que outras técnicas baseadas em laser, "disse Stiff-Roberts." Isso também o torna muito mais eficiente, exigindo apenas uma pequena fração dos materiais orgânicos para chegar ao mesmo produto final. "
Embora nenhuma célula solar baseada em perovskita ainda esteja disponível no mercado, existem algumas empresas trabalhando para comercializar iodeto de chumbo de metilamônio e outros materiais intimamente relacionados. E embora os materiais feitos neste estudo tenham eficiências de células solares melhores do que aqueles feitos com outras tecnologias baseadas em laser, eles ainda não alcançam aqueles feitos com processos tradicionais baseados em soluções.
Mas Mitzi e Stiff-Roberts dizem que esse não é o objetivo deles.
"Embora as técnicas baseadas em soluções também possam ser suaves com os orgânicos e fazer alguns excelentes materiais fotovoltaicos híbridos, eles não podem ser usados para moléculas orgânicas mais complexas e pouco solúveis, "disse Stiff-Roberts.
"Com esta demonstração da tecnologia RIR-MAPLE, esperamos abrir um novo mundo de materiais para a indústria de células solares, "continuou Mitzi." Também achamos que esses materiais podem ser úteis para outras aplicações, como diodos emissores de luz, fotodetectores e detectores de raios-X. "
