As células solares produzidas a partir de uma combinação de silício e perovskita - especialmente a variante com haletos mistos como iodo e bromo - podem ser mais eficientes e mais baratas do que as células solares de silício tradicionais porque convertem uma proporção maior da luz solar em eletricidade. Contudo, perovskitas se degradam sob a influência da luz, e por isso eles ainda não podem ser usados ​​para aplicações comerciais. Substituir o cátion (íon com carga positiva) na estrutura melhora a estabilidade do material. Pesquisadores da AMOLF já revelaram que essa melhoria surge da compressão da estrutura, comparável a aplicar uma pressão considerável sobre ele. Eles publicaram seus resultados em Cell Reports Physical Science .

Intuição química

Uma perovskita consiste em um íon de chumbo rodeado por íons haleto, como iodo e íons bromo. Isso forma uma estrutura 3-D com gaiolas que são preenchidas com um cátion, como o metilamônio. O problema é que se a estrutura estiver iluminada, áreas separadas surgem no material onde ocorrem principalmente íons de iodo ou principalmente íons de bromo. A vantagem da mistura de iodo-bromo nas perovskitas é então perdida:uma grande parte do espectro de luz é convertida em calor em vez de eletricidade.

Eline Hutter, químico de formação e até este ano pesquisador da AMOLF, pensei que a separação espontânea dos haletos poderia ser evitada submetendo o material a alta pressão. "No momento, Eu não sabia exatamente por quê. Eu chamei de intuição química. "

Experimentos desafiadores

O grupo de células solares híbridas da AMOLF desenvolveu anteriormente uma configuração que foi muito útil neste caso:um espectrômetro de absorção transiente (TAS) que pode medir as propriedades eletrônicas de perovskitas sob pressão muito alta. "Não há outra configuração comparável que combine TAS com uma célula de pressão no mundo, "diz o líder do grupo Bruno Ehrler." Mas eu estava inicialmente cético sobre a ideia de Eline, em parte porque os experimentos que teríamos de fazer pareciam muito desafiadores. "

Junto com sua colega Loreta Muscarella, Eline Hutter usou essa configuração para medir o que acontece depois que o material é iluminado. “Se não houver pressão sobre o material, observamos uma separação de bromo e iodo. Abaixo de 3000 bar de pressão, vemos que a separação não ocorre mais. "

Solução prática

Este resultado confirmou a hipótese de Hütter de que o volume livre no material, e de acordo com a pressão, desempenha um papel crucial na separação dos haletos. Produzir uma célula solar sob pressão tão alta é impraticável. Contudo, existe uma solução prática, explica Hütter. "Se substituirmos o cátion nas gaiolas da perovskita por um cátion menor, como o césio, ocorre uma chamada contração química. Toda a estrutura encolhe, assim como a terra que seca e se contrai. O efeito é exatamente o mesmo que submeter o material a alta pressão. "

Hütter e seus colegas posteriormente usaram o TAS para demonstrar que nesta perovskita quimicamente comprimida, a separação de iodo e bromo não ocorreu mais. Com isso, demonstraram que um aspecto esquecido da teoria é importante:o volume do material foi previamente excluído dos cálculos, disse Hütter. "Na minha opinião, o que torna esta pesquisa tão interessante é a ligação entre a pressão externa e interna. "

Esta é uma descoberta vital para tornar as perovskitas estáveis, diz Ehrler. "O foco tem sido principalmente na cinética:atrasar o movimento dos íons para desacelerar a separação. Agora, demonstramos que aumentar a pressão, muda a termodinâmica:os íons se movem com a mesma rapidez, mas a separação de iodo e bromo não é mais energeticamente favorável. Para que essa segregação não aconteça mais. "