As células solares são dispositivos que absorvem fótons da luz solar e convertem sua energia para mover elétrons - permitindo a produção de energia limpa e fornecendo uma rota confiável para ajudar a combater as mudanças climáticas. Mas a maioria das células solares amplamente utilizadas hoje são espessas, frágil e rígido, o que limita sua aplicação a superfícies planas e aumenta o custo de fabricação da célula solar.

As "células solares de filme fino" podem ter 1/100 da espessura de um pedaço de papel e são flexíveis o suficiente para enfeitar superfícies que variam de um carro aerodinamicamente elegante a roupas. Para fazer células solares de película fina, os cientistas estão indo além dos compostos semicondutores "clássicos", como arsenieto de gálio ou silício, e trabalhar, em vez disso, com outros compostos de colheita de luz que têm o potencial de ser mais baratos e mais fáceis de produzir em massa. Os compostos poderiam ser amplamente adotados se tivessem um desempenho tão bom quanto a tecnologia atual.

Em um artigo publicado online nesta primavera no jornal Nature Photonics , Cientistas da Universidade de Washington relatam que um protótipo de filme fino semicondutor teve um desempenho ainda melhor do que os melhores materiais de células solares de hoje na emissão de luz.

"Pode parecer estranho, já que as células solares absorvem luz e a transformam em eletricidade, mas os melhores materiais de células solares também são ótimos para emitir luz, "disse o co-autor e professor de engenharia química da UW Hugh Hillhouse, que também é membro do corpo docente do Instituto de Energia Limpa da UW e do Instituto de Engenharia e Ciências Moleculares. "Na verdade, normalmente, quanto mais eficientemente eles emitem luz, mais voltagem eles geram. "

A equipe UW alcançou um desempenho recorde neste material, conhecido como perovskita de haleto de chumbo, tratando-o quimicamente por meio de um processo conhecido como "passivação de superfície, "que trata imperfeições e reduz a probabilidade de que os fótons absorvidos acabem sendo desperdiçados em vez de convertidos em energia útil.

"Um grande problema com as células solares de perovskita é que muita luz solar absorvida estava terminando como calor desperdiçado, eletricidade não útil, "disse o co-autor David Ginger, professor de química da UW e cientista-chefe do CEI. "Esperamos que estratégias de passivação de superfície como essa ajudem a melhorar o desempenho e a estabilidade das células solares de perovskita."

As equipes de Ginger e Hillhouse trabalharam juntas para demonstrar que a passivação da superfície das perovskitas aumentou drasticamente o desempenho a níveis que tornariam este material um dos melhores para células solares de película fina. Eles experimentaram uma variedade de produtos químicos para passivação de superfície antes de encontrar um, um composto orgânico conhecido pela sigla TOPO, que impulsionou o desempenho da perovskita a níveis que se aproximam dos melhores semicondutores de arsenieto de gálio.

"Nossa equipe na UW foi uma das primeiras a identificar defeitos que limitam o desempenho nas superfícies dos materiais de perovskita, e agora estamos entusiasmados por ter descoberto uma maneira eficaz de projetar quimicamente essas superfícies com moléculas TOPO, "disse o co-autor Dane deQuilettes, um pesquisador de pós-doutorado no Instituto de Tecnologia de Massachusetts que conduziu esta pesquisa como um estudante de doutorado em química da UW. "Inicialmente, ficamos realmente surpresos ao descobrir que os materiais passivados pareciam ser tão bons quanto o arsenieto de gálio, que detém o recorde de eficiência da célula solar. Então, para verificar nossos resultados, planejamos algumas abordagens diferentes para confirmar as melhorias na qualidade do material de perovskita. "

DeQuilettes e o co-autor Ian Braly, que conduziu esta pesquisa como aluno de doutorado em engenharia química, mostraram que o tratamento com TOPO de um semicondutor de perovskita impactou significativamente suas eficiências quânticas de fotoluminescência interna e externa - métricas usadas para determinar quão bom é um material semicondutor em utilizar a energia de um fóton absorvido em vez de perdê-la como calor. O tratamento com TOPO da perovskita aumentou as eficiências quânticas da fotoluminescência interna em dez vezes - de 9,4 por cento para quase 92 por cento.

"Nossas medições observando a eficiência com a qual as perovskitas híbridas passivadas absorvem e emitem luz mostram que não há falhas materiais inerentes que impeçam mais melhorias nas células solares, "disse Braly." Além disso, ajustando os espectros de emissão a um modelo teórico, mostramos que esses materiais podem gerar tensões de 97 por cento do máximo teórico, igual ao recorde mundial de células solares de arsenieto de gálio e muito maior do que o recorde de células de silício que alcançam apenas 84 por cento. "

Essas melhorias na qualidade do material são teoricamente previstas para permitir que a eficiência de conversão de energia de luz em eletricidade alcance 27,9 por cento sob níveis regulares de luz solar, que empurraria o registro fotovoltaico baseado em perovskita para além dos melhores dispositivos de silício.

A próxima etapa para perovskitas, os pesquisadores disseram, é demonstrar uma passivação química semelhante que é compatível com eletrodos de fácil fabricação - bem como experimentar outros tipos de passivação de superfície.

"Os perovskitas já demonstraram um sucesso sem precedentes em dispositivos fotovoltaicos, mas há muito espaço para melhorias adicionais, "disse DeQuilettes." Aqui nós achamos que fornecemos um caminho para a comunidade aproveitar melhor a energia do sol. "