p Uma equipe de pesquisa da Brown University deu um passo importante para melhorar a confiabilidade de longo prazo das células solares de perovskita, uma tecnologia emergente de energia limpa. Em um estudo a ser publicado na sexta-feira, 7 de maio no jornal Ciência , a equipe demonstra uma "cola molecular" que impede a degradação de uma interface importante dentro das células. O tratamento aumenta drasticamente a estabilidade e confiabilidade das células ao longo do tempo, ao mesmo tempo, melhorando a eficiência com a qual eles convertem a luz solar em eletricidade. p "Houve grandes avanços no aumento da eficiência de conversão de energia das células solares de perovskita, "disse Nitin Padture, professor de engenharia da Brown University e autor sênior da nova pesquisa. "Mas o obstáculo final a ser superado antes que a tecnologia possa estar amplamente disponível é a confiabilidade - fazer células que mantenham seu desempenho ao longo do tempo. Essa é uma das coisas em que meu grupo de pesquisa tem trabalhado, e estamos felizes em relatar alguns progressos importantes. "

p As perovskitas são uma classe de materiais com uma estrutura atômica cristalina particular. Há pouco mais de uma década, pesquisadores mostraram que as perovskitas são muito boas na absorção de luz, que desencadeou uma enxurrada de novas pesquisas em células solares de perovskita. A eficiência dessas células aumentou rapidamente e agora rivaliza com as células de silício tradicionais. A diferença é que os absorvedores de luz perovskita podem ser feitos próximo à temperatura ambiente, Considerando que o silício precisa ser cultivado a partir de uma fusão a uma temperatura próxima de 2, 700 graus Fahrenheit. Os filmes de perovskita também são cerca de 400 vezes mais finos do que os wafers de silício. A relativa facilidade dos processos de fabricação e o uso de menos material significa que as células de perovskita podem ser potencialmente feitas por uma fração do custo das células de silício.

p Embora as melhorias de eficiência em perovskitas tenham sido notáveis, Padture diz, tornar as células mais estáveis ​​e confiáveis ​​continua sendo um desafio. Parte do problema tem a ver com a estratificação necessária para fazer uma célula funcional. Cada célula contém cinco ou mais camadas distintas, cada um desempenhando uma função diferente no processo de geração de eletricidade. Uma vez que essas camadas são feitas de materiais diferentes, eles respondem de maneira diferente às forças externas. Também, mudanças de temperatura que ocorrem durante o processo de fabricação e durante o serviço podem fazer com que algumas camadas se expandam ou contraiam mais do que outras. Isso cria tensões mecânicas nas interfaces das camadas que podem causar o desacoplamento das camadas. Se as interfaces estiverem comprometidas, o desempenho das células despenca.

p A mais fraca dessas interfaces é aquela entre o filme de perovskita usado para absorver a luz e a camada de transporte de elétrons, que mantém a corrente fluindo através da célula.

p "Uma corrente é tão forte quanto seu elo mais fraco, e identificamos essa interface como a parte mais fraca de toda a pilha, onde o fracasso é mais provável, "disse Padture, que dirige o Instituto de Inovação Molecular e em Nanoescala da Brown. "Se pudermos fortalecer isso, então podemos começar a fazer melhorias reais na confiabilidade. "

p Fazer isso, Padture aproveitou sua experiência como cientista de materiais, desenvolver revestimentos cerâmicos avançados usados ​​em motores de aeronaves e outras aplicações de alto desempenho. Ele e seus colegas começaram a experimentar compostos conhecidos como monocamadas automontadas ou SAMs.

p "Esta é uma grande classe de compostos, "Padture disse." Quando você deposita isso em uma superfície, as moléculas se reúnem em uma única camada e se erguem como cabelos curtos. Usando a formulação certa, você pode formar laços fortes entre esses compostos e todos os tipos de superfícies diferentes. "

p Padture e sua equipe descobriram que uma formulação de SAM com átomo de silício de um lado, e átomo de iodo por outro, pode formar ligações fortes com a camada de transporte de eleição (que geralmente é feita de óxido de estanho) e a camada de absorção de luz perovskita. A equipe esperava que as ligações formadas por essas moléculas fortificassem a interface da camada. E eles estavam certos.

p "Quando apresentamos os SAMs à interface, descobrimos que aumenta a tenacidade à fratura da interface em cerca de 50%, o que significa que quaisquer rachaduras que se formam na interface tendem a não se propagar muito, "Padture disse." Então, de fato, os SAMs se tornam uma espécie de cola molecular que mantém as duas camadas juntas. "

p Os testes da função das células solares mostraram que os SAMs aumentaram dramaticamente a vida funcional das células perovskita. As células não SAM preparadas para o estudo retiveram 80% de sua eficiência inicial por cerca de 700 horas de testes de laboratório. Enquanto isso, as células SAM ainda estavam fortes após 1, 330 horas de teste. Com base nesses experimentos, os pesquisadores projetam que a vida de eficiência retida de 80% seja de cerca de 4, 000 horas.

p "Uma das outras coisas que fizemos, o que as pessoas normalmente não fazem, é que quebramos as células após o teste, "disse Zhenghong Dai, aluna de doutorado da Brown e primeira autora da pesquisa. "Nas células de controle sem os SAMs, vimos todos os tipos de danos, como vazios e rachaduras. Mas com os SAMs, as interfaces reforçadas pareciam realmente boas. Foi uma melhoria dramática que realmente nos chocou. "

p Mais importante, Padture disse, a melhoria na resistência não veio às custas da eficiência de conversão de energia. Na verdade, os SAMs realmente melhoraram a eficiência da célula em uma pequena quantidade. Isso ocorreu porque os SAMs eliminaram pequenos defeitos moleculares que se formam quando as duas camadas se ligam na ausência de SAMs.

p "A primeira regra para melhorar a integridade mecânica de dispositivos funcionais é 'não causar danos, "Padture disse." Para que pudéssemos melhorar a confiabilidade sem perder a eficiência - e até mesmo melhorar a eficiência - foi uma boa surpresa. "

p Os próprios SAMs são feitos de compostos prontamente disponíveis e são facilmente aplicados com um processo de revestimento por imersão em temperatura ambiente. Portanto, a adição de SAMs potencialmente acrescentaria pouco ao custo de produção, Padture disse.

p Os pesquisadores planejam aproveitar esse sucesso. Agora que eles fortaleceram o elo mais fraco na pilha de células solares de perovskita, eles gostariam de passar para o próximo mais fraco, depois o próximo e assim por diante até que fortaleçam toda a pilha. Esse trabalho envolverá o fortalecimento não só das interfaces, mas também as próprias camadas materiais. Recentemente, O grupo de pesquisa de Padture ganhou uma bolsa de US $ 1,5 milhão do Departamento de Energia dos EUA para expandir suas pesquisas.

p "Este é o tipo de pesquisa necessária para fazer células baratas, eficiente e com bom desempenho por décadas, "Padture disse.