Uma ampla classe de materiais chamados perovskitas é considerada uma das avenidas mais promissoras para o desenvolvimento de novos, células solares mais eficientes. Mas o número virtualmente ilimitado de combinações possíveis dos elementos constituintes desses materiais torna lenta e trabalhosa a busca por novos perovskitas promissores.

Agora, uma equipe de pesquisadores do MIT e de várias outras instituições acelerou o processo de triagem de novas formulações, alcançando uma melhoria de cerca de dez vezes na velocidade de síntese e análise de novos compostos. No processo, eles já descobriram dois novos e promissores materiais inspirados na perovskita que merecem um estudo mais aprofundado.

Suas descobertas são descritas esta semana no jornal Joule , em um artigo do cientista pesquisador do MIT Shijing Sun, professor de engenharia mecânica Tonio Buonassisi, e 16 outros no MIT, em Singapura, e no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia em Maryland.

Surpreendentemente, embora a automação parcial tenha sido empregada, a maioria das melhorias na velocidade de processamento resultou da ergonomia do fluxo de trabalho, diz Buonassisi. Isso envolve eficiências de sistemas mais tradicionais, frequentemente derivado do rastreamento e cronometragem das muitas etapas envolvidas:sintetizar novos compostos, depositando-os em um substrato para cristalizar, e então observar e classificar as formações de cristal resultantes usando várias técnicas.

“Há uma necessidade de desenvolvimento acelerado de novos materiais, "diz Buonassisi, enquanto o mundo continua a se mover em direção à energia solar, inclusive em regiões com espaço limitado para painéis solares. Mas o sistema típico para desenvolver novos materiais de conversão de energia pode levar 20 anos, com custos de capital iniciais significativos, ele diz. O objetivo de sua equipe é reduzir esse tempo de desenvolvimento para menos de dois anos.

Essencialmente, os pesquisadores desenvolveram um sistema que permite que uma grande variedade de materiais sejam feitos e testados em paralelo. "Agora podemos acessar uma grande variedade de composições diferentes, usando a mesma plataforma de síntese de materiais. Isso nos permite explorar uma vasta gama de espaço de parâmetros, " ele diz.

Os compostos de perovskita consistem em três constituintes separados, tradicionalmente rotulado como A, B, e X íons de site, cada um dos quais pode ser qualquer um de uma lista de elementos candidatos, formando uma família estrutural muito grande com diversas propriedades físicas. No campo da perovskita e materiais inspirados na perovskita para aplicações fotovoltaicas, o íon B-site é normalmente chumbo, mas um grande esforço na pesquisa de perovskita é encontrar versões sem chumbo viáveis ​​que possam igualar ou exceder o desempenho das variedades à base de chumbo.

Embora mais de mil formulações de perovskita potencialmente úteis tenham sido previstas teoricamente, de milhões de combinações teoricamente possíveis, apenas uma pequena fração deles foi produzida experimentalmente até agora, destacando a necessidade de um processo acelerado, dizem os pesquisadores.

Para os experimentos, a equipe selecionou uma variedade de composições diferentes, cada um deles misturado em uma solução e, em seguida, depositado em um substrato, onde o material cristalizou em uma película fina. O filme foi então examinado usando uma técnica chamada difração de raios-X, que pode revelar detalhes de como os átomos estão dispostos na estrutura cristalina. Esses padrões de difração de raios X foram inicialmente classificados com a ajuda de um sistema de rede neural convolucional para acelerar essa parte do processo. Essa etapa de classificação sozinha, Buonassisi diz, levava inicialmente de três a cinco horas, mas aplicando aprendizado de máquina, isso foi reduzido para 5,5 minutos, mantendo a precisão de 90 por cento.

Já, em seus testes iniciais do sistema, a equipe explorou 75 formulações diferentes em cerca de um décimo do tempo que levaria anteriormente para sintetizar e caracterizar tantas. Entre aqueles 75, eles encontraram dois novos sistemas de perovskita sem chumbo que exibem propriedades promissoras que podem ter potencial para células solares de alta eficiência.

No processo, eles produziram quatro compostos na forma de filme fino pela primeira vez; filmes finos são a forma desejável para uso em células solares. Eles também encontraram exemplos de "sintonia de bandgap não linear" em alguns dos materiais, uma característica inesperada que se relaciona com o nível de energia necessário para excitar um elétron no material, que eles dizem que abre novos caminhos para células solares em potencial.

A equipe diz que com mais automação de partes do processo, deve ser possível continuar a aumentar a velocidade de processamento, tornando-o de 10 a 100 vezes mais rápido. Em última análise, Buonassisi diz, trata-se de fazer com que a energia solar seja o mais barata possível, continuando o mergulho já notável da tecnologia. O objetivo é trazer preços economicamente sustentáveis ​​abaixo de 2 centavos por quilowatt-hora, ele diz, e chegar lá pode ser o resultado de uma única descoberta em materiais:"Tudo o que você precisa fazer é fazer um material" que tenha a combinação certa de propriedades - incluindo facilidade de fabricação, baixo custo de materiais, e alta eficiência na conversão de luz solar.

"Estamos colocando todas as peças experimentais no lugar para que possamos explorar mais rápido, " ele diz.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.