Cientistas da Universidade de Pós-Graduação do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST) resolveram uma fraqueza fundamental em uma tecnologia solar promissora conhecida como células solares de perovskita, ou PSCs. Suas inovações parecem melhorar a estabilidade e a escalabilidade dos dispositivos de uma só vez e podem ser a chave para colocar os PSCs no mercado.

As células solares de terceira geração convertem com eficiência a luz do sol em eletricidade utilizável e custam menos energia para fabricar do que as células de silício da velha escola. PSCs, em particular, têm atraído a atenção da ciência e da indústria graças ao seu baixo custo e alta eficiência. Embora seu desempenho seja promissor em testes de laboratório, os dispositivos ainda sofrem de baixa estabilidade e não podem ser produzidos comercialmente até que sejam feitos para durar.

“Precisamos de módulos solares que possam durar pelo menos 5 a 10 anos. Por enquanto, a vida útil dos PSCs é muito mais curta, "disse o Dr. Longbin Qiu, primeiro autor do artigo e pós-doutorado na Unidade de Materiais e Ciências de Superfície da OIST, liderado pelo Prof. Yabing Qi.

O estudo, publicado online em Materiais Funcionais Avançados em 13 de dezembro, 2018, suporta evidências anteriores de que um material comumente usado em PSCs, chamado dióxido de titânio, degrada os dispositivos e limita sua vida útil. Os pesquisadores substituíram este material por dióxido de estanho, um condutor mais forte sem essas propriedades degradantes. Eles otimizaram seu método de aplicação de dióxido de estanho para produzir produtos estáveis, PSCs eficientes e escaláveis.

Em experimentos, os pesquisadores descobriram que os dispositivos baseados em dióxido de estanho mostraram uma vida útil três vezes maior do que os dispositivos PSC usando dióxido de titânio. "O dióxido de estanho pode dar aos usuários o desempenho de dispositivo de que precisam, "disse Qiu.

Um Design Melhorado

PSCs consistem em materiais em camadas, cada um com uma função específica. A "camada ativa, "feito de materiais perovskita, absorve a luz solar incidente na forma de partículas chamadas fótons. Quando um fóton atinge uma célula solar, ele gera elétrons carregados negativamente e buracos carregados positivamente na camada ativa. Os cientistas controlam o fluxo desses elétrons e buracos imprensando a camada ativa entre dois "materiais de transporte, "criando assim um campo elétrico interno.

Para ajudar a conduzir os elétrons na direção certa, muitos PSCs incluem uma "camada de transporte de elétrons". A maioria dos PSCs emprega dióxido de titânio como sua camada de transporte de elétrons, mas quando exposto à luz solar, o material reage com a perovskita e, por fim, degrada o dispositivo. O dióxido de estanho é um substituto viável para o dióxido de titânio, mas antes deste estudo, não havia sido incorporado com sucesso a um dispositivo de grande escala.

Usando uma técnica comum na indústria chamada deposição por pulverização catódica, os pesquisadores aprenderam como criar uma camada eficaz de transporte de elétrons a partir do dióxido de estanho. A deposição por pulverização catódica funciona bombardeando o material alvo, aqui dióxido de estanho, com partículas carregadas, fazendo com que pulverize para cima em uma superfície de espera. Ao controlar com precisão o poder da pulverização catódica e a velocidade de deposição, os pesquisadores produziram camadas lisas com espessura uniforme em uma grande área.

Suas novas células solares alcançaram uma eficiência de mais de 20%. Para demonstrar a escalabilidade deste novo método, os pesquisadores então fabricaram módulos solares de 5 por 5 centímetros com uma área designada de 22,8 centímetros quadrados, descobrindo que os dispositivos resultantes mostraram mais de 12 por cento de eficiência. Essa pesquisa, que foi apoiado pelo Programa de Prova de Conceito do OIST Technology Development and Innovation Center, representa um passo crucial em direção ao cumprimento do padrão atual da indústria para eficiência de PSC.

Movendo-se para o mercado

Os pesquisadores planejam continuar otimizando seu projeto de PSC com o objetivo de produzir módulos solares em grande escala com maior eficiência. A unidade de pesquisa experimenta com flexíveis, dispositivos solares transparentes e visa aplicar seu design otimizado PSC em janelas solares, cortinas, mochilas e unidades de carregamento destacáveis.

"Queremos dimensionar esses dispositivos para um tamanho grande, e embora sua eficiência já seja razoável, queremos ir mais longe, "disse o Prof. Qi." Estamos otimistas de que, nos próximos anos, essa tecnologia será viável para comercialização. "