Alguns materiais são como pessoas. Deixe-os relaxar ao sol um pouco e eles terão um desempenho muito melhor.

Uma colaboração liderada pela Rice University e o Laboratório Nacional de Los Alamos descobriu que esse é o caso de um composto de perovskita apresentado como um material eficiente para coletar a luz solar e convertê-la em energia.

Os pesquisadores liderados por Aditya Mohite, um cientista da equipe de Los Alamos que em breve se tornará professor da Rice; Wanyi Nie, também cientista da equipe de Los Alamos, e o autor principal e estudante de pós-graduação do Rice Hsinhan (Dave) Tsai descobriram que a iluminação constante relaxa a tensão na estrutura de cristal da perovskita, permitindo que ele se expanda uniformemente em todas as direções.

A expansão alinha os planos de cristal do material e cura os defeitos na massa. Isso, por sua vez, reduz as barreiras energéticas nos contatos, tornando mais fácil para os elétrons se moverem pelo sistema e fornecerem energia aos dispositivos.

Isso não só melhora a eficiência de conversão de energia da célula solar, mas também não compromete sua fotoestabilidade, com degradação insignificante ao longo de mais de 1, 500 horas de operação sob iluminação contínua de um só sol de 100 miliwatts por centímetro cúbico.

A pesquisa, que aparece esta semana em Ciência , representa um passo significativo em direção a células solares baseadas em perovskita estáveis ​​para tecnologias de energia solar para eletricidade e energia solar para combustível de próxima geração, de acordo com os pesquisadores.

"Estruturas de cristal de perovskita híbrida têm uma fórmula geral de AMX3, onde A é um cátion, M é um metal divalente e X é um haleto, "Mohite disse." É um semicondutor polar com um gap direto semelhante ao do arseneto de gálio.

"Isso confere às perovskitas um coeficiente de absorção que é quase uma ordem de magnitude maior do que o arsenieto de gálio (um semicondutor comum em células solares) em todo o espectro solar, "disse ele." Isso implica que um filme de 300 nanômetros de espessura de perovskitas é suficiente para absorver toda a luz solar incidente. Por contraste, o silício é um material de gap indireto que requer 1, 000 vezes mais material para absorver a mesma quantidade de luz solar. "

Mohite disse que os pesquisadores há muito buscam perovskitas híbridas eficientes que sejam estáveis ​​à luz do sol e em condições ambientais ambientais.

“Através deste trabalho, demonstramos um progresso significativo na realização de ambos os objetivos, "disse ele." Nossa perovskita baseada em cátions triplos em uma estrutura cúbica mostra excelente estabilidade de temperatura em mais de 100 graus Celsius (212 graus Fahrenheit). "

Os pesquisadores modelaram e fabricaram mais de 30 semicondutores, Filmes finos à base de iodeto com estruturas semelhantes a perovskita:Cubos cristalinos com átomos dispostos em linhas e colunas regulares. Eles mediram sua capacidade de transmitir corrente e descobriram que, quando encharcados de luz, a barreira energética entre a perovskita e os eletrodos praticamente desapareceu à medida que as ligações entre os átomos relaxaram.

Eles ficaram surpresos ao ver que a barreira permaneceu apagada por 30 minutos depois que a luz foi desligada. Como os filmes foram mantidos a uma temperatura constante durante os experimentos, os pesquisadores também conseguiram eliminar o calor como uma possível causa da expansão da rede.

As medições mostraram que o dispositivo híbrido de perovskita "campeão" aumentou sua eficiência de conversão de energia de 18,5% para 20,5%. Na média, todas as células tiveram uma eficiência elevada acima de 19 por cento. Mohite disse que as perovskitas usadas no estudo estavam 7% distantes da eficiência máxima possível para uma célula solar de junção única.

Ele disse que a eficiência das células é quase o dobro de todas as outras tecnologias fotovoltaicas processadas por solução e 5% menor do que a fotovoltaica comercial à base de silício. Eles mantiveram 85 por cento de sua eficiência de pico após 800 horas de operação contínua no ponto de potência máxima, e sua densidade de corrente não mostrou degradação foto-induzida ao longo de todo o 1, 500 horas.

"Este trabalho irá acelerar o conhecimento científico necessário para alcançar células solares de perovskita que sejam estáveis, "Mohite disse." Também abre novas direções para a descoberta de fases e comportamentos emergentes que surgem da natureza estrutural dinâmica, ou suavidade, da rede perovskita. "

Os pesquisadores principais indicaram que o estudo vai além da energia fotovoltaica, uma vez que se conecta, pela primeira vez, dinâmica estrutural disparada por luz com processos de transporte eletrônico fundamentais. Eles prevêem que isso levará a tecnologias que exploram a luz, força ou outros gatilhos externos para ajustar as propriedades dos materiais à base de perovskita.