Uma equipe de pesquisadores do Reino Unido e do Japão descobriu que os pequenos defeitos que limitam a eficiência das perovskitas – materiais alternativos mais baratos para células solares – também são responsáveis ​​por mudanças estruturais no material que levam à degradação.
Os pesquisadores usaram uma combinação de técnicas para imitar o processo de envelhecimento sob a luz solar e observar mudanças nos materiais em nanoescala, ajudando-os a obter novos insights sobre os materiais, que também mostram potencial para aplicações optoeletrônicas, como LEDs de eficiência energética e raios-X. detectores, mas são limitados em sua longevidade.

Seus resultados, relatados na revista Nature , poderia acelerar significativamente o desenvolvimento de fotovoltaicos de perovskita comercialmente disponíveis e de longa duração.

Perovksites são abundantes e muito mais baratos de processar do que o silício cristalino. Eles podem ser preparados em uma tinta líquida que é simplesmente impressa para produzir uma fina película do material.

Embora a produção geral de energia das células solares de perovskita possa muitas vezes atender ou - no caso de dispositivos "tandem" de várias camadas - exceder o alcançável com os fotovoltaicos de silício tradicionais, a longevidade limitada dos dispositivos é uma barreira fundamental para sua viabilidade comercial.

Um painel solar de silício típico, como aqueles que você pode ver no telhado de uma casa, normalmente dura cerca de 20 a 25 anos sem perdas significativas de desempenho.

Como os dispositivos de perovskita são muito mais baratos de produzir, eles podem não precisar ter uma vida útil tão longa quanto seus equivalentes de silício para entrar em alguns mercados. Mas, para atingir seu potencial máximo de descarbonização generalizada, as células precisarão operar por pelo menos uma década ou mais. Pesquisadores e fabricantes ainda precisam desenvolver um dispositivo de perovskita com estabilidade semelhante às células de silício.

Agora, pesquisadores da Universidade de Cambridge e do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST), no Japão, descobriram o segredo para tratar o "calcanhar de Aquiles" das perovskitas.

Usando um conjunto de ferramentas de técnicas de alta resolução espacial, em colaboração com a instalação síncrotron Diamond Light Source e o electron Physical Sciences Imaging Center (ePSIC) em Didcot, e o Departamento de Ciência de Materiais e Metalurgia em Cambridge, a equipe pôde observar o propriedades em nanoescala desses filmes finos e como eles mudam ao longo do tempo sob iluminação solar.

Trabalhos anteriores da equipe usando técnicas semelhantes esclareceram os defeitos que causam deficiências no desempenho dos fotovoltaicos de perovskita – as chamadas armadilhas de portadoras.

"Iluminando os filmes de perovskita ao longo do tempo, simulando o envelhecimento de dispositivos de células solares, descobrimos que a dinâmica mais interessante está ocorrendo nesses aglomerados de armadilhas nanoscópicas", disse o co-autor Dr. Stuart Macpherson do Laboratório Cavendish de Cambridge.

"Agora sabemos que as mudanças que vemos estão relacionadas à fotodegradação dos filmes. Como resultado, as armadilhas transportadoras que limitam a eficiência agora podem estar diretamente ligadas à questão igualmente crucial da longevidade das células solares".

"É muito empolgante", disse o coautor Dr. Tiarnan Doherty, do Departamento de Engenharia Química e Biotecnologia de Cambridge e do Murray Edwards College, "porque sugere que, se você puder abordar a formação dessas armadilhas de superfície, melhorará simultaneamente desempenho e a estabilidade dos dispositivos ao longo do tempo."

Ao ajustar a composição química e como o filme de perovskita se forma, ao preparar os dispositivos, os pesquisadores mostraram que é possível controlar quantas dessas fases prejudiciais se formam e, por extensão, quanto tempo o dispositivo vai durar.

"Os dispositivos mais estáveis ​​parecem estar diminuindo a densidade de fases prejudiciais por meio de sutis modificações estruturais e de composição", disse Doherty. "Esperamos que este artigo revele uma abordagem mais racional e direcionada para fazer isso e alcançar os dispositivos de mais alto desempenho operando com estabilidade máxima".

O grupo está otimista de que suas últimas descobertas nos aproximarão ainda mais dos primeiros dispositivos fotovoltaicos de perovskita disponíveis comercialmente.

"As células solares de perovskita estão à beira da comercialização, com as primeiras linhas de produção já produzindo módulos", disse o Dr. Sam Stranks, do Departamento de Engenharia Química e Biotecnologia de Cambridge, que liderou a pesquisa.

"Agora entendemos que quaisquer fases residuais indesejadas - mesmo pequenas bolsas em nanoescala remanescentes do processamento das células - serão más notícias para a longevidade das células solares de perovskita. Os processos de fabricação, portanto, precisam incorporar um ajuste cuidadoso da estrutura e composição em uma grande área para eliminar qualquer vestígio dessas fases indesejadas - controle ainda mais cuidadoso do que se pensa para esses materiais. Este é um ótimo exemplo de ciência fundamental orientando diretamente a fabricação em escala."

"It has been very satisfying to see the approaches that we've developed at OIST and Cambridge over the past several years provide direct visuals of these tiny residual unwanted phases, and how they change over time," said co-author Dr. Keshav Dani of OIST's Femtosecond Spectroscopy Unit. "The hope remains that these techniques will continue to reveal the performance limiting aspects of photovoltaic devices, as we work towards studying operational devices."

"Another strength of perovskite devices is that they can be made in countries where there's no existing infrastructure for processing monocrystalline silicon," said Macpherson. "Silicon solar cells are cheap in the long term but require a substantial initial capital outlay to begin processing. But for perovskites, because they can be solution processed and printed so easily, using far less material, you remove that initial cost. They offer a viable option for low- and middle-income countries looking to transition to solar energy." + Explorar mais

New roadmap to better performing solar energy cells