Um exame mais atento dos materiais que compõem as células solares convencionais revela um arranjo quase rígido de átomos com pouco movimento. Mas em perovskitas híbridas, uma classe promissora de materiais de células solares, os arranjos são mais flexíveis e os átomos dançam descontroladamente, um efeito que impacta o desempenho das células solares, mas é difícil de medir.

Em um artigo publicado no Proceedings of the National Academy of Sciences , uma equipe internacional de pesquisadores liderada pelo Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia dos EUA desenvolveu uma nova compreensão dessas danças selvagens e como elas afetam o funcionamento dos materiais perovskita. Os resultados podem explicar por que as células solares de perovskita são tão eficientes e auxiliam na busca para projetar células solares portadoras de calor, uma tecnologia teorizada que quase dobraria os limites de eficiência das células solares convencionais, convertendo mais luz solar em energia elétrica utilizável.

Peça do quebra-cabeça

Células solares perovskita, que pode ser produzido em temperatura ambiente, oferecem uma alternativa menos cara e potencialmente com melhor desempenho aos materiais convencionais de células solares, como o silício, que devem ser fabricados em temperaturas extremamente altas para eliminar defeitos. Mas a falta de compreensão sobre o que torna os materiais de perovskita tão eficientes na conversão da luz solar em eletricidade tem sido um grande obstáculo para a produção de células solares de perovskita com eficiência ainda maior.

"Realmente, só foi nos últimos cinco ou seis anos que as pessoas desenvolveram esse intenso interesse em materiais de perovskita solar, "diz Mike Toney, um distinto cientista da equipe da Stanford Synchrotron Radiation Light Source (SSRL) que liderou o estudo. "Como consequência, muito do conhecimento básico sobre o que faz os materiais funcionarem está faltando. Nesta pesquisa, fornecemos uma peça importante desse quebra-cabeça, mostrando o que os diferencia dos materiais de células solares mais convencionais. Isso nos fornece bases científicas que nos permitirão começar a projetar esses materiais de forma racional. "

Mantendo isso quente

Quando a luz do sol atinge uma célula solar, parte da energia pode ser usada para chutar elétrons no material para estados de energia mais elevados. Esses elétrons de alta energia são canalizados para fora do material, produção de eletricidade.

Mas antes que isso aconteça, a maior parte da energia solar é perdida para o calor, com alguma fração também perdida durante a extração de energia utilizável ou devido à coleta ineficiente de luz. Em muitas células solares convencionais, como aqueles feitos com silício, Fônons acústicos - uma espécie de onda sonora que se propaga através do material - são a principal maneira pela qual esse calor é transportado através do material. A energia perdida pelo elétron na forma de calor limita a eficiência da célula solar.

Neste estudo, teóricos do Reino Unido, liderado pelo professor do Imperial College Aron Walsh e os teóricos da estrutura eletrônica Jonathan Skelton e Jarvist Frost, forneceu um quadro teórico para a interpretação dos resultados experimentais. Eles previram que os fônons acústicos viajando através das perovskitas teriam vida curta como resultado dos arranjos flexíveis de átomos e moléculas dançantes no material.

Os químicos de Stanford Hema Karunadasa e Ian Smith conseguiram fazer crescer o grande, monocristais especializados essenciais para este trabalho. Com a ajuda de Peter Gehring, um físico do NIST Center for Neutron Research, a equipe espalhou nêutrons desses cristais de perovskita de uma forma que lhes permitiu refazer o movimento dos átomos e moléculas dentro do material. Isso permitiu que eles medissem com precisão a vida útil dos fônons acústicos.

A equipe de pesquisa descobriu que em perovskitas, Fônons acústicos têm vida curta, sobrevivendo por apenas 10 a 20 trilionésimos de segundo. Sem esses fônons transportando calor através do material, os elétrons podem permanecer quentes e reter sua energia à medida que são puxados para fora do material. O aproveitamento desse efeito poderia potencialmente levar a células solares portadoras de calor com eficiências quase duas vezes mais altas que as células solares convencionais.

Além disso, esse fenômeno poderia explicar como as células solares de perovskita funcionam tão bem, apesar do material estar repleto de defeitos que prenderiam elétrons e diminuiriam o desempenho em outros materiais.

"Como os fônons em perovskitas não viajam muito, eles acabam aquecendo a área ao redor dos elétrons, que pode fornecer o impulso de que os elétrons precisam para escapar das armadilhas e continuar em seu caminho alegre, "Toney diz.

Transformando a produção de energia

Para acompanhar este estudo, pesquisadores do Centro de Semicondutores Híbridos Orgânicos-Inorgânicos para Energia (CHOISE) Centro de Pesquisa de Fronteira de Energia liderado pelo Laboratório Nacional de Energia Renovável do DOE investigarão este fenômeno em materiais perovskita mais complicados que se mostram mais eficientes em dispositivos de energia. Eles gostariam de descobrir como a mudança na composição química do material afeta a vida útil dos fônons acústicos.

"Precisamos transformar fundamentalmente nosso sistema de energia o mais rápido possível, "diz Aryeh Gold-Parker, que co-liderou o estudo como um Ph.D. estudante da Stanford University e SLAC. "À medida que avançamos em direção a um futuro de baixo carbono, uma peça muito importante é ter células solares baratas e eficientes. A esperança dos perovskitas é que eles resultem em painéis solares comerciais mais eficientes e baratos do que os existentes no mercado hoje. "