p As perovskitas - uma ampla categoria de compostos que compartilham uma certa estrutura cristalina - têm atraído muita atenção como novos materiais de células solares em potencial devido ao seu baixo custo, flexibilidade, e processo de fabricação relativamente fácil. Mas muito permanece desconhecido sobre os detalhes de sua estrutura e os efeitos da substituição de diferentes metais ou outros elementos dentro do material. p As células solares convencionais feitas de silício devem ser processadas em temperaturas acima de 1, 400 graus Celsius, usando equipamentos caros que limitam seu potencial para aumento de escala de produção. Em contraste, perovskitas podem ser processadas em uma solução líquida em temperaturas tão baixas quanto 100 graus, usando equipamento barato. O que mais, as perovskitas podem ser depositadas em uma variedade de substratos, incluindo plásticos flexíveis, permitindo uma variedade de novos usos que seriam impossíveis com mais espesso, wafers de silício mais rígidos.

p Agora, os pesquisadores foram capazes de decifrar um aspecto-chave do comportamento das perovskitas feitas com diferentes formulações:com certos aditivos, existe uma espécie de "ponto ideal" onde maiores quantidades aumentam o desempenho e, além do qual, maiores quantidades começam a degradá-lo. Os resultados são detalhados esta semana no jornal Ciência , em um artigo do ex-pós-doutorado do MIT Juan-Pablo Correa-Baena, Os professores do MIT, Tonio Buonassisi e Moungi Bawendi, e 18 outros no MIT, a Universidade da Califórnia em San Diego, e outras instituições.

p As perovskitas são uma família de compostos que compartilham uma estrutura cristalina de três partes. Cada parte pode ser feita de qualquer um de vários elementos ou compostos diferentes - levando a uma gama muito ampla de formulações possíveis. Buonassisi compara o projeto de uma nova perovskita com o pedido de um menu, escolhendo um (ou mais) de cada coluna A, coluna B, e (por convenção) coluna X. "Você pode misturar e combinar, " ele diz, mas até agora todas as variações só podiam ser estudadas por tentativa e erro, uma vez que os pesquisadores não tinham conhecimento básico do que estava acontecendo no material.

p Em uma pesquisa anterior feita por uma equipe da Swiss École Polytechnique Fédérale de Lausanne, em que Correa-Baena participou, descobriram que a adição de certos metais alcalinos à mistura de perovskita poderia melhorar a eficiência do material na conversão de energia solar em eletricidade, de cerca de 19 por cento para cerca de 22 por cento. Mas na época não havia explicação para essa melhoria, e nenhuma compreensão do que exatamente esses metais estavam fazendo dentro do complexo. "Muito pouco se sabia sobre como a microestrutura afeta o desempenho, "Buonassisi diz.

p Agora, mapeamento detalhado usando medições de fluorescência de nano-raio-X síncrotron de alta resolução, que pode sondar o material com um feixe de apenas um milésimo da largura de um fio de cabelo, revelou os detalhes do processo, com possíveis pistas sobre como melhorar ainda mais o desempenho do material.

p Acontece que a adição desses metais alcalinos, como césio ou rubídio, ao composto perovskita ajuda alguns dos outros constituintes a se misturarem mais suavemente. Conforme a equipe descreve, esses aditivos ajudam a "homogeneizar" a mistura, fazendo com que conduza eletricidade mais facilmente e assim melhorando sua eficiência como uma célula solar. Mas, eles encontraram, isso só funciona até certo ponto. Além de uma certa concentração, esses metais adicionados se aglomeram, formando regiões que interferem com a condutividade do material e neutralizam parcialmente a vantagem inicial. Entre, para qualquer formulação desses compostos complexos, é o ponto ideal que oferece o melhor desempenho, eles encontraram.

p "É uma grande descoberta, "diz Correa-Baena, que em janeiro se tornou professor assistente de ciência dos materiais e engenharia na Georgia Tech. O que os pesquisadores descobriram, após cerca de três anos de trabalho no MIT e com colaboradores na UCSD, era "o que acontece quando você adiciona esses metais alcalinos, e porque o desempenho melhora. "Eles puderam observar diretamente as mudanças na composição do material, e revelar, entre outras coisas, esses efeitos compensatórios de homogeneização e aglutinação.

p "A ideia é que, com base nessas descobertas, agora sabemos que devemos procurar sistemas semelhantes, em termos de adição de metais alcalinos ou outros metais, "ou variando outras partes da receita, Correa-Baena diz. Embora as perovskitas possam ter grandes benefícios em relação às células solares de silício convencionais, especialmente em termos do baixo custo de instalação de fábricas para produzi-los, eles ainda precisam de mais trabalho para aumentar sua eficiência geral e melhorar sua longevidade, que fica significativamente atrás das células de silício.

p Embora os pesquisadores tenham esclarecido as mudanças estruturais que ocorrem no material perovskita ao adicionar diferentes metais, e as mudanças resultantes no desempenho, "ainda não entendemos a química por trás disso, "Diz Correa-Baena. Esse é o assunto da pesquisa em andamento pela equipe. A eficiência máxima teórica dessas células solares de perovskita é de cerca de 31 por cento, de acordo com Correa-Baena, e o melhor desempenho até agora está em torno de 23 por cento, portanto, permanece uma margem significativa para melhorias potenciais.

p Embora possa levar anos para que os perovskitas realizem todo o seu potencial, pelo menos duas empresas já estão em processo de instalação de linhas de produção, e eles esperam começar a vender seus primeiros módulos no próximo ano. Alguns deles são pequenos, células solares transparentes e coloridas projetadas para serem integradas na fachada de um edifício. “Já está acontecendo, "Correa-Baena diz, "mas ainda há trabalho a fazer para torná-los mais duráveis."

p Uma vez que os problemas de capacidade de fabricação em grande escala, eficiência, e durabilidade são abordadas, Buonassisi diz, os perovskitas podem se tornar um importante ator na indústria de energia renovável. "Se eles tiverem sucesso em fazer algo sustentável, módulos de alta eficiência preservando o baixo custo de fabricação, isso pode mudar o jogo, "ele diz." Isso poderia permitir a expansão da energia solar muito mais rápido do que vimos. " p Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.