As pessoas podem ser boas em esconder tensão, e não estamos sozinhos. As células solares têm o mesmo talento. Para uma célula solar, a tensão física dentro de sua estrutura cristalina microscópica pode interromper sua função central - converter a luz solar em eletricidade - essencialmente "perdendo" energia como calor. Para um tipo emergente de célula solar, conhecido como perovskitas de haleto de chumbo, reduzir e controlar essa perda é a chave para melhorar a eficiência e colocar as perovskitas no mesmo nível das células solares de silício de hoje.

Para entender onde a tensão se acumula dentro de uma célula solar e desencadeia a perda de energia, os cientistas devem visualizar a estrutura de grãos subjacente dos cristais de perovskita dentro da célula solar. Mas a melhor abordagem envolve bombardear a célula solar com elétrons de alta energia, o que essencialmente queima a célula solar e a torna inútil.

Pesquisadores da Universidade de Washington e do Instituto FOM de Física Atômica e Molecular da Holanda desenvolveram uma maneira de iluminar a tensão em células solares de perovskita de haleto de chumbo sem danificá-las. A abordagem deles, publicado online em 10 de setembro em Joule , conseguiu imaginar a estrutura de grãos de uma célula solar de perovskita, mostrando que a desorientação entre os cristais microscópicos de perovskita é o principal contribuinte para o acúmulo de tensão dentro da célula solar. A desorientação do cristal cria defeitos de pequena escala na estrutura do grão, que interrompem o transporte de elétrons dentro da célula solar e levam à perda de calor por meio de um processo conhecido como recombinação não radiativa.

"Ao combinar nossa imagem óptica com o novo detector de elétrons desenvolvido na FOM, podemos realmente ver como os cristais individuais são orientados e colocados juntos dentro de uma célula solar de perovskita, "disse o autor sênior David Ginger, professor de química da UW e cientista-chefe do Clean Energy Institute, da UW. "Podemos mostrar que a tensão aumenta devido à orientação do grão, que são as informações que os pesquisadores podem usar para melhorar a síntese de perovskita e os processos de fabricação para obter melhores células solares com tensão mínima - e, portanto, perda mínima de calor devido à recombinação não radiativa. "

As perovskitas de haleto de chumbo são baratas, compostos cristalinos imprimíveis que se mostram promissores como de baixo custo, alternativas adaptáveis ​​e eficientes às células solares de silício ou arsenieto de gálio amplamente utilizadas atualmente. Mas mesmo as melhores células solares de perovskita perdem alguma eletricidade como calor em locais microscópicos espalhados pela célula, o que diminui a eficiência.

Os cientistas há muito usam a microscopia de fluorescência para identificar os locais na superfície das células solares de perovskita que reduzem a eficiência. Mas para identificar a localização dos defeitos que causam a perda de calor, os pesquisadores precisam imaginar a verdadeira estrutura de grão do filme, de acordo com o primeiro autor Sarthak Jariwala, um estudante de doutorado da UW em ciência e engenharia de materiais e um membro graduado do Clean Energy Institute.

"Historicamente, a imagem da estrutura real de grão subjacente da célula solar não foi possível fazer sem danificar a célula solar, "disse Jariwala.

Abordagens típicas para visualizar a estrutura interna utilizam uma forma de microscopia eletrônica chamada difração de retroespalhamento de elétrons, que normalmente queimaria a célula solar. Mas os cientistas do Instituto FOM de Física Atômica e Molecular, liderado pelos co-autores Erik Garnett e Bruno Ehrler, desenvolveu um detector aprimorado que pode capturar imagens de difração retroespalhada de elétrons em tempos de exposição mais baixos, preservando a estrutura da célula solar.

As imagens de células solares de perovskita do laboratório de Ginger revelam uma estrutura de grãos que se assemelha a um leito de lago seco, com "rachaduras" representando os limites entre milhares de grãos de perovskita individuais. Usando esses dados de imagem, os pesquisadores puderam pela primeira vez mapear a orientação 3-D dos cristais dentro de uma célula solar perovskita em funcionamento. Eles também podem determinar onde o desalinhamento entre os cristais cria tensão.

Quando os pesquisadores sobrepuseram imagens da estrutura de grãos da perovskita com centros de recombinação não radiativa, que Jariwala obteve imagens usando microscopia de fluorescência, eles descobriram que a recombinação não radiativa também pode ocorrer fora dos limites visíveis.

"Achamos que a deformação localmente deforma a estrutura da perovskita e causa defeitos, "disse Ginger." Esses defeitos podem interromper o transporte de corrente elétrica dentro da célula solar, causando recombinação não radiativa - mesmo em outros lugares da superfície. "

Embora a equipe de Ginger tenha desenvolvido métodos para "curar" alguns desses defeitos que servem como centros de recombinação não radiativa em células solares de perovskita, idealmente, os pesquisadores gostariam de desenvolver métodos de síntese de perovskita que reduziriam ou eliminariam totalmente a recombinação não radiativa.

"Agora podemos explorar estratégias como controlar o tamanho do grão e a propagação da orientação durante o processo de síntese de perovskita, "disse Ginger." Esses podem ser caminhos para reduzir a desorientação e tensão - e prevenir a formação de defeitos em primeiro lugar. "