As células solares convencionais ainda consistem em silício. Crédito:unsplash
A perovskita semicondutora é vista como uma nova esperança para reduzir o preço de produção das células solares abaixo do preço do silício usado até agora. A Empa está desenvolvendo novos processos de fabricação para tornar as células solares de perovskita não apenas mais baratas, mas também mais rápidas de produzir e torná-las prontas para uso industrial.
Desde o desenvolvimento da primeira célula solar de perovskita em 2009, sua eficiência agora é igual à de uma célula de silício convencional. Contudo, ainda tinha algumas fraquezas no início; por exemplo, devido à sua estrutura e aos materiais utilizados, é muito sensível à umidade, oxigênio, aquecer, Luz ultravioleta e estresse mecânico. Isso torna a célula menos durável. Michael Grätzel e Hongwei Han encontraram uma solução para este problema em 2014, quando os dois pesquisadores da EPFL desenvolveram uma célula com uma estrutura mesoporosa de óxidos e carbono. Mas essa ideia ainda não era comercializável.
Pelo menos até agora:Frank Nüesch, Chefe do Departamento de Polímeros Funcionais da Empa, e sua equipe tem trabalhado intensamente nos últimos anos em novos processos de fabricação precisamente para essas células solares, a fim de produzi-las não apenas mais rápido, mas também mais barato. Para este fim, os pesquisadores colaboraram com Solaronix SA, uma empresa com sede no oeste da Suíça, como parte de um projeto do Escritório Federal Suíço de Energia (SFOE). Juntos, eles produziram uma célula perovskita funcional em escala de laboratório com uma área de superfície de 10x10cm.
Corte transversal através das diferentes camadas da célula solar perovskita sob o microscópio eletrônico de varredura:as camadas individuais são finas como uma bolacha, e os materiais porosos foram "preenchidos" com perovskita na etapa final. Crédito:Empa
Slot-die em vez de serigrafia
Para a produção desta nova célula de perovskita, é usado o processo denominado slot-die. Aqui, a camada de material é aplicada sobre um substrato de vidro e estruturada removendo o excesso de material com laser. "Com o novo processo de revestimento, não podemos apenas revestir mais rápido, mas também determinar a espessura das camadas de forma mais flexível, "diz Nüesch. No futuro, o processo de fenda tornará possível revestir teias de um metro de comprimento com relativa facilidade e rapidez. A velocidade de revestimento é então também o elemento central em uma possível industrialização da produção de células de perovskita.
Um total de cinco camadas de materiais diferentes, incluindo óxido de titânio, zircônia e grafite, são necessários para tal célula. Considerando que no processo de impressão da tela usado até agora, as camadas têm que ser secas e sinterizadas (isto é, compactadas) individualmente - o que leva muito tempo e energia - no processo de fenda e todas as camadas podem ser aplicadas diretamente uma após a outra e sinterizadas juntas. "Com este novo processo, podemos 'imprimir' sete vezes mais rápido do que com o método de serigrafia anterior, "explica Nüesch. A célula solar de perovskita ganha seu toque final aplicando o absorvedor de perovskita por meio de impressão a jato de tinta no" Centro de Competência de Revestimento "da Empa - a chamada infiltração. Aqui a perovskita não é mais aplicada ao substrato como uma camada sólida , mas penetra por todas as camadas porosas da célula solar até o fundo.
A matriz de fenda aplica uma camada de carbono ao substrato de vidro. Isso permite que todas as cinco camadas da célula solar sejam aplicadas uma após a outra e secas juntas. Com o processo de serigrafia convencional, cada camada teve que ser seca separadamente por pelo menos uma hora. Crédito:Empa
Uma cooperação de sucesso
No desenvolvimento do novo processo, a equipe da Empa trabalhou em estreita colaboração com os especialistas da Solaronix. Eles são a fonte das "tintas" - condutores em escala nanométrica, semicondutores e isolantes - para imprimir o indivíduo, camadas finas da célula solar. A dificuldade dos pesquisadores da Empa era preparar essa tinta de forma que fosse adequada para o processo de slot-die. As várias configurações da unidade de revestimento, como a velocidade do slot-die, a taxa de fluxo e a distância entre a fenda e o substrato, também teve que ser coordenado a fim de alcançar um resultado ideal. Agora eles conseguiram fazer exatamente isso.
Uma outra vantagem das células solares de perovskita produzidas usando este novo processo é uma vida útil mais longa em comparação com as células de perovskita anteriores. Em uma próxima etapa, os testes de campo seguirão:no final de 2020, as células solares de perovskita serão montadas no telhado do edifício NEST no campus da Empa em Dübendorf, onde eles terão que provar seu valor no uso diário.
