As perovskitas prometem criar painéis solares que podem ser facilmente depositados na maioria das superfícies, incluindo flexíveis e texturizadas. Esses materiais também seriam leves, baratos de produzir e tão eficientes quanto os principais materiais fotovoltaicos atuais, que são principalmente silício. Eles são objeto de crescente pesquisa e investimento, mas as empresas que procuram aproveitar seu potencial precisam enfrentar alguns obstáculos restantes antes que as células solares baseadas em perovskita possam ser comercialmente competitivas.
O termo perovskita não se refere a um material específico, como silício ou telureto de cádmio, outros principais concorrentes no campo fotovoltaico, mas a toda uma família de compostos. A família perovskita de materiais solares é nomeada por sua semelhança estrutural com um mineral chamado perovskita, que foi descoberto em 1839 e recebeu o nome do mineralogista russo L.A. Perovski.

O mineral original perovskita, que é óxido de cálcio e titânio (CaTiO₃ ), tem uma configuração cristalina distinta. Tem uma estrutura de três partes, cujos componentes passaram a ser rotulados A, B e X, em que as redes dos diferentes componentes são entrelaçadas. A família das perovskitas consiste nas muitas combinações possíveis de elementos ou moléculas que podem ocupar cada um dos três componentes e formar uma estrutura semelhante à da própria perovskita original. (Alguns pesquisadores até distorcem um pouco as regras ao nomear outras estruturas cristalinas com elementos semelhantes de "perovskitas", embora isso seja desaprovado pelos cristalógrafos.)

"Você pode misturar e combinar átomos e moléculas na estrutura, com alguns limites. Por exemplo, se você tentar colocar uma molécula grande demais na estrutura, você a distorcerá. Eventualmente, você pode fazer com que o cristal 3D se separe em uma estrutura em camadas 2D, ou perder totalmente a estrutura ordenada", diz Tonio Buonassisi, professor de engenharia mecânica do MIT e diretor do Laboratório de Pesquisa Fotovoltaica. "Perovskitas são altamente ajustáveis, como um tipo de estrutura cristalina do tipo construa sua própria aventura", diz ele.

Essa estrutura de redes entrelaçadas consiste em íons ou moléculas carregadas, duas delas (A e B) carregadas positivamente e a outra (X) carregada negativamente. Os íons A e B são tipicamente de tamanhos bastante diferentes, sendo o A maior.

Dentro da categoria geral de perovskitas, existem vários tipos, incluindo perovskitas de óxido metálico, que encontraram aplicações em catálise e em armazenamento e conversão de energia, como em células de combustível e baterias metal-ar. Mas um foco principal da atividade de pesquisa por mais de uma década tem sido em perovskitas de haleto de chumbo, de acordo com Buonassisi.

Dentro dessa categoria, ainda há uma legião de possibilidades, e laboratórios ao redor do mundo estão correndo pelo tedioso trabalho de tentar encontrar as variações que mostram o melhor desempenho em eficiência, custo e durabilidade – o que até agora tem sido o mais desafiador. dos três.

Muitas equipes também focaram em variações que eliminam o uso de chumbo, para evitar seu impacto ambiental. Buonassisi observa, no entanto, que "de forma consistente ao longo do tempo, os dispositivos baseados em chumbo continuam a melhorar seu desempenho, e nenhuma das outras composições chegou perto em termos de desempenho eletrônico". O trabalho continua na exploração de alternativas, mas por enquanto nenhuma pode competir com as versões de iodetos de chumbo.

Uma das grandes vantagens que as perovskitas oferecem é sua grande tolerância a defeitos na estrutura, diz ele. Ao contrário do silício, que requer pureza extremamente alta para funcionar bem em dispositivos eletrônicos, as perovskitas podem funcionar bem mesmo com inúmeras imperfeições e impurezas.

Procurar novas composições candidatas promissoras para perovskitas é um pouco como procurar uma agulha no palheiro, mas recentemente os pesquisadores criaram um sistema de aprendizado de máquina que pode agilizar bastante esse processo. Essa nova abordagem pode levar a um desenvolvimento muito mais rápido de novas alternativas, diz Buonassisi, coautor dessa pesquisa.

Embora as perovskitas continuem a se mostrar muito promissoras e várias empresas já estejam se preparando para iniciar alguma produção comercial, a durabilidade continua sendo o maior obstáculo que enfrentam. Enquanto os painéis solares de silício retêm até 90% de sua potência após 25 anos, as perovskitas se degradam muito mais rapidamente. Grande progresso foi feito - as amostras iniciais duraram apenas algumas horas, depois semanas ou meses, mas as formulações mais recentes têm vida útil de até alguns anos, adequadas para algumas aplicações onde a longevidade não é essencial.

Do ponto de vista da pesquisa, diz Buonassisi, uma vantagem das perovskitas é que elas são relativamente fáceis de fazer em laboratório – os constituintes químicos se montam facilmente. Mas essa também é sua desvantagem:"O material se junta muito facilmente à temperatura ambiente", diz ele, "mas também se desfaz com muita facilidade à temperatura ambiente. Vem fácil, vai fácil!"

Para lidar com essa questão, a maioria dos pesquisadores está focada no uso de vários tipos de materiais protetores para encapsular a perovskita, protegendo-a da exposição ao ar e à umidade. Mas outros estão estudando os mecanismos exatos que levam a essa degradação, na esperança de encontrar formulações ou tratamentos que sejam inerentemente mais robustos. Uma descoberta importante é que um processo chamado autocatálise é o principal responsável pelo colapso.

Na autocatálise, assim que uma parte do material começa a se degradar, seus produtos de reação agem como catalisadores para começar a degradar as partes vizinhas da estrutura, e uma reação descontrolada começa. Um problema semelhante existia no início da pesquisa em alguns outros materiais eletrônicos, como diodos orgânicos emissores de luz (OLEDs), e acabou sendo resolvido pela adição de etapas adicionais de purificação às matérias-primas, de modo que uma solução semelhante pode ser encontrada no caso de perovskitas, sugere Buonassisi.

Buonassisi e seus co-pesquisadores concluíram recentemente um estudo mostrando que uma vez que as perovskitas atingem uma vida útil de pelo menos uma década, graças ao seu custo inicial muito menor que seria suficiente para torná-las economicamente viáveis ​​como substituto do silício em grandes escalar fazendas solares.

No geral, o progresso no desenvolvimento de perovskitas tem sido impressionante e encorajador, diz ele. Com apenas alguns anos de trabalho, já alcançou eficiências comparáveis ​​a níveis que o telureto de cádmio (CdTe), “que existe há muito mais tempo, ainda luta para alcançar”, diz ele. "A facilidade com que esses desempenhos mais altos são alcançados neste novo material é quase assombrosa." Comparando a quantidade de tempo de pesquisa gasto para alcançar uma melhoria de 1% na eficiência, ele diz, o progresso nas perovskitas foi algo entre 100 e 1.000 vezes mais rápido do que no CdTe. "Essa é uma das razões pelas quais é tão emocionante", diz ele.