Há muito o que gostar nas células solares à base de perovskita. Eles são simples e baratos de produzir, oferecem flexibilidade que pode desbloquear uma ampla gama de métodos e locais de instalação, e nos últimos anos alcançaram eficiências de energia próximas às das células tradicionais à base de silício.

Mas descobrir como produzir dispositivos de energia à base de perovskita que durem mais do que alguns meses tem sido um desafio.

Agora, pesquisadores do Georgia Institute of Technology, A Universidade da Califórnia em San Diego e o Instituto de Tecnologia de Massachusetts relataram novas descobertas sobre células solares de perovskita que podem abrir caminho para dispositivos com melhor desempenho.

"As células solares de perovskita oferecem muitas vantagens potenciais porque são extremamente leves e podem ser feitas com substratos de plástico flexíveis, "disse Juan-Pablo Correa-Baena, professor assistente na Escola Tecnológica de Ciência e Engenharia de Materiais da Georgia. "Para poder competir no mercado com células solares à base de silício, Contudo, eles precisam ser mais eficientes. "

Em um estudo publicado em 8 de fevereiro na revista Ciência e foi patrocinado pelo Departamento de Energia dos EUA e pela National Science Foundation, os pesquisadores descreveram com mais detalhes os mecanismos de como a adição de metal alcalino às perovskitas tradicionais leva a um melhor desempenho.

"Os perovskitas podem realmente mudar o jogo na energia solar, "disse David Fenning, professor de nanoengenharia da Universidade da Califórnia em San Diego. "Eles têm potencial para reduzir custos sem abrir mão do desempenho. Mas ainda há muito o que aprender sobre esses materiais."

Para entender os cristais de perovskita, é útil pensar em sua estrutura cristalina como uma tríade. Uma parte da tríade é normalmente formada a partir do elemento principal. O segundo é normalmente feito de um componente orgânico, como metilamônio, e o terceiro geralmente é composto de outros halogenetos, como bromo e iodo.

Nos últimos anos, pesquisadores têm se concentrado em testar diferentes receitas para alcançar melhores eficiências, como adicionar iodo e bromo ao componente principal da estrutura. Mais tarde, eles tentaram substituir o césio e o rubídio na parte da perovskita normalmente ocupada por moléculas orgânicas.

"Sabíamos de trabalhos anteriores que adicionar césio e rubídio a uma mistura de perovskita de bromo e iodo leva a melhor estabilidade e desempenho superior, "Correa-Baena disse.

Mas pouco se sabia sobre por que a adição desses metais alcalinos melhorava o desempenho das perovskitas.

Para entender exatamente por que parecia funcionar, os pesquisadores usaram mapeamento de raios-X de alta intensidade para examinar as perovskitas em nanoescala.

"Olhando para a composição dentro do material perovskita, podemos ver como cada elemento individual desempenha um papel na melhoria do desempenho do dispositivo, "disse Yanqi (Grace) Luo, um Ph.D. em nanoengenharia estudante da UC San Diego.

Eles descobriram que, quando o césio e o rubídio foram adicionados à mistura de perovskita de bromo e iodo, fez com que o bromo e o iodo se misturassem de forma mais homogênea, resultando em uma eficiência de conversão até 2% maior do que os materiais sem esses aditivos.

"Descobrimos que a uniformidade na química e na estrutura é o que ajuda uma célula solar de perovskita a operar em seu potencial máximo, "Fenning disse." Qualquer heterogeneidade nessa espinha dorsal é como um elo fraco da cadeia. "

Mesmo assim, os pesquisadores também observaram que, embora a adição de rubídio ou césio fizesse com que o bromo e o iodo se tornassem mais homogêneos, os próprios metais halogenados dentro de seu próprio cátion permaneceram bastante agrupados, criando "zonas mortas" inativas na célula solar que não produzem corrente.

"Isso foi surpreendente, "Disse Fenning." Ter essas zonas mortas normalmente mataria uma célula solar. Em outros materiais, eles agem como buracos negros que sugam elétrons de outras regiões e nunca os deixam ir, então você perde corrente e tensão.

"Mas nesses perovskitas, vimos que as zonas mortas em torno do rubídio e do césio não eram muito prejudiciais ao desempenho da célula solar, embora tenha havido alguma perda atual, "Fenning disse." Isso mostra como esses materiais são robustos, mas também que há ainda mais oportunidades para melhorias. "

As descobertas aumentam a compreensão de como os dispositivos baseados em perovskita funcionam em nanoescala e podem estabelecer as bases para melhorias futuras.

"Esses materiais prometem ser muito econômicos e de alto desempenho, que é basicamente o que precisamos para garantir que os painéis fotovoltaicos sejam amplamente implantados, "Correa-Baena disse." Queremos tentar compensar as questões da mudança climática, então a ideia é ter células fotovoltaicas o mais baratas possível. "