Os pesquisadores de engenharia da Universidade de Toronto combinaram duas tecnologias emergentes para a energia solar de próxima geração - e descobriram que cada uma ajuda a estabilizar a outra. O material híbrido resultante é um passo importante para reduzir o custo da energia solar e, ao mesmo tempo, multiplicar as maneiras como ela pode ser usada.

Hoje, praticamente todas as células solares são feitas de silício de alta pureza. É uma tecnologia bem estabelecida, e nos últimos anos o custo de fabricação caiu significativamente devido às economias de escala. No entanto, o silício tem um limite superior para sua eficiência. Uma equipe liderada pelo professor Ted Sargent está buscando materiais complementares que possam aumentar o potencial de captação solar do silício, absorvendo comprimentos de onda de luz que o silício não consegue.

"Duas das tecnologias que buscamos em nosso laboratório são cristais de perovskita e pontos quânticos, "diz Sargent." Ambos são passíveis de processamento de solução. Imagine uma 'tinta solar' que pudesse ser impressa em plástico flexível para criar baixo custo, células solares dobráveis. Também podemos combiná-los na frente de, ou atrás, células solares de silício para aumentar ainda mais sua eficiência. "

Um dos principais desafios enfrentados por perovskitas e pontos quânticos é a estabilidade. Em temperatura ambiente, alguns tipos de perovskitas passam por um ajuste em sua estrutura cristalina 3-D que os torna transparentes - eles não absorvem mais totalmente a radiação solar.

Por sua vez, os pontos quânticos devem ser cobertos por uma camada fina conhecida como camada de passivação. Esta camada - apenas uma única molécula de espessura - impede que os pontos quânticos grudem uns nos outros. Mas temperaturas acima de 100 C podem destruir a camada de passivação, fazendo com que os pontos quânticos se agreguem ou se agrupem, destruindo sua capacidade de colher luz.

Em um artigo publicado hoje em Natureza , uma equipe de pesquisadores do relatório de laboratório de Sargent uma maneira de combinar perovskitas e pontos quânticos que estabiliza ambos.

"Antes de fazermos isso, as pessoas geralmente tentavam enfrentar os dois desafios separadamente, "diz Mengxia Liu, o autor principal do artigo.

"A pesquisa mostrou o crescimento bem-sucedido de estruturas híbridas que incorporaram tanto perovskitas quanto pontos quânticos, "diz Liu, que agora é pós-doutorado na Universidade de Cambridge. "Isso nos inspirou a considerar a possibilidade de os dois materiais se estabilizarem se compartilharem a mesma estrutura cristalina."

Liu e a equipe construíram dois tipos de materiais híbridos. Um era principalmente pontos quânticos com cerca de 15% de perovskitas por volume, e é projetado para transformar luz em eletricidade. O outro era principalmente perovskitas com menos de 15% de pontos quânticos por volume, e é mais adequado para transformar eletricidade em luz, por exemplo, como parte de um diodo emissor de luz (LED).

A equipe conseguiu mostrar que o material rico em perovskita permaneceu estável em condições ambientais (25 C e 30% de umidade) por seis meses, cerca de dez vezes mais do que os materiais compostos apenas pela mesma perovskita. Quanto ao material de pontos quânticos, quando aquecido a 100 C, a agregação das nanopartículas foi cinco vezes menor do que se não tivessem sido estabilizadas com perovskitas.

"Isso provou nossa hipótese muito bem, "disse Liu." Foi um resultado impressionante, além das nossas expectativas. "

O novo artigo fornece uma prova de conceito para a ideia de que esses tipos de materiais híbridos podem aumentar a estabilidade. No futuro, Liu espera que os fabricantes de células solares levem suas idéias e as aprimorem ainda mais para criar células solares processadas por solução que atendam aos mesmos critérios do silício tradicional.

"Pesquisadores industriais poderiam experimentar usando diferentes elementos químicos para formar as perovskitas ou pontos quânticos, "diz Liu." O que mostramos é que esta é uma estratégia promissora para melhorar a estabilidade neste tipo de estruturas. "

"As perovskitas têm mostrado um enorme potencial como materiais solares; mas são necessárias soluções fundamentais para transformá-las em materiais estáveis ​​e robustos que possam atender aos requisitos exigentes do setor de energia renovável." disse Jeffrey C. Grossman, o Morton e Claire Goulder e o Professor da Família em Sistemas Ambientais e um Professor do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, que não estava envolvido no estudo. "O estudo de Toronto mostra um caminho novo e estimulante para o avanço do entendimento, e a conquista, de fases estáveis ​​de cristal de perovskita. "

Liu credita a descoberta em parte ao ambiente colaborativo da equipe, que incluiu pesquisadores de muitas disciplinas, incluindo química, física e seu próprio campo de ciência dos materiais.

"Perovskita e pontos quânticos têm estruturas físicas distintas, e as semelhanças entre esses materiais têm sido geralmente esquecidas, "ela diz." Esta descoberta mostra o que pode acontecer quando combinamos ideias de campos diferentes. "