Estudo de solvente resolve quebra-cabeça de durabilidade da célula solar

Uma descoberta dos engenheiros da Rice University aproxima as células solares de perovskita de camada dupla eficientes e estáveis da comercialização. As células têm cerca de um mícron de espessura, com camadas 2D e 3D. Crédito:Jeff Fitlow/Rice University

Os engenheiros da Rice University dizem que resolveram um enigma de longa data na fabricação de painéis solares estáveis e eficientes a partir de perovskitas de haletos.
Foi preciso encontrar o design de solvente certo para aplicar uma camada superior 2D de composição e espessura desejadas sem destruir a inferior 3D (ou vice-versa). Essa célula transformaria mais luz solar em eletricidade do que qualquer camada por conta própria, com melhor estabilidade.

O engenheiro químico e biomolecular Aditya Mohite e seu laboratório na Escola de Engenharia George R. Brown de Rice relataram na Science seu sucesso na construção de células solares 3D/2D finas que oferecem uma eficiência de conversão de energia de 24,5%.

Isso é tão eficiente quanto a maioria das células solares comercialmente disponíveis, disse Mohite.

"Isso é muito bom para células bifaciais flexíveis, onde a luz entra de ambos os lados e também para células com contato posterior", disse ele. "As perovskitas 2D absorvem fótons azuis e visíveis, e o lado 3D absorve o infravermelho próximo."

As perovskitas são cristais com treliças cúbicas conhecidas por serem eficientes coletores de luz, mas os materiais tendem a ser estressados pela luz, umidade e calor. Mohite e muitos outros trabalharam durante anos para tornar práticas as células solares de perovskita.

O novo avanço, disse ele, remove em grande parte o último grande obstáculo à produção comercial.

A fabricação de células solares de alta eficiência com camadas de perovskitas 2D e 3D por múltiplos processos pode ser simplificada por solventes que permitem a deposição de solução de uma camada sem destruir a outra, de acordo com uma nova pesquisa da Rice University. Crédito:Jeff Fitlow/Rice University

"Isso é significativo em vários níveis", disse Mohite. "Uma é que é fundamentalmente desafiador fazer uma bicamada processada por solução quando ambas as camadas são do mesmo material. O problema é que ambas se dissolvem nos mesmos solventes.

"Quando você coloca uma camada 2D em cima de uma camada 3D, o solvente destrói a camada subjacente", disse ele. "Mas nosso novo método resolve isso."

Mohite disse que as células de perovskita 2D são estáveis, mas menos eficientes na conversão da luz solar. As perovskitas 3D são mais eficientes, mas menos estáveis. Combiná-los incorpora as melhores características de ambos.

"Isso leva a eficiências muito altas porque agora, pela primeira vez no campo, somos capazes de criar camadas com tremendo controle", disse ele. “Isso nos permite controlar o fluxo de carga e energia não apenas para células solares, mas também para dispositivos optoeletrônicos e LEDs”.

A eficiência das células de teste expostas ao laboratório equivalente a 100% de luz solar por mais de 2.000 horas “não se degrada nem 1%”, disse ele. Sem contar um substrato de vidro, as células tinham cerca de 1 mícron de espessura.

O processamento de solução é amplamente utilizado na indústria e incorpora uma variedade de técnicas - revestimento por rotação, revestimento por imersão, revestimento por lâmina, revestimento por ranhura e outras - para depositar material em uma superfície em um líquido. Quando o líquido evapora, o revestimento puro permanece.

A chave é um equilíbrio entre duas propriedades do próprio solvente:sua constante dielétrica e o número de doadores de Gutmann. A constante dielétrica é a razão entre a permeabilidade elétrica do material e seu espaço livre. Isso determina quão bem um solvente pode dissolver um composto iônico. O número de doadores é uma medida da capacidade de doação de elétrons das moléculas do solvente.

"Se você encontrar a correlação entre eles, descobrirá que existem cerca de quatro solventes que permitem dissolver as perovskitas e revesti-las sem destruir a camada 3D", disse Mohite.

Ele disse que sua descoberta deve ser compatível com a fabricação rolo a rolo, que normalmente produz 30 metros de células solares por minuto.

Andrew Torma, estudante de pós-graduação em Física Aplicada da Rice University, valida a estrutura eletrônica de uma célula solar de perovskita 2D/3D. Crédito:Jeff Fitlow/Rice University
O estudante de pós-graduação da Rice University, Siraj Sidhik, monta um experimento para expor uma célula de perovskita de camada dupla à luz solar artificial. As células criadas no laboratório Rice expostas à luz forte por 2.000 horas degradaram sua eficiência em menos de 1%. Crédito:Jeff Fitlow/Rice University

“Este avanço está levando, pela primeira vez, a heteroestruturas de dispositivos de perovskita contendo mais de uma camada ativa”, disse o coautor Jacky Even, professor de física do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Rennes, França. "O sonho de projetar arquiteturas complexas de semicondutores com perovskitas está prestes a se tornar realidade. Novas aplicações e a exploração de novos fenômenos físicos serão os próximos passos."

“Isso tem implicações não apenas para a energia solar, mas também para o hidrogênio verde, com células que podem produzir energia e convertê-la em hidrogênio”, disse Mohite. “Também poderia permitir energia solar sem rede para carros, drones, energia fotovoltaica integrada em edifícios ou até mesmo agricultura”.

O estudante de pós-graduação da Rice, Siraj Sidhik, é o principal autor do artigo. + Explorar mais