Cientistas da Universidade de Cambridge estudando materiais de perovskita para células solares de próxima geração e LEDs flexíveis descobriram que eles podem ser mais eficientes quando suas composições químicas são menos ordenadas, simplificando amplamente os processos de produção e reduzindo custos.

As descobertas surpreendentes, publicado em Nature Photonics , são o resultado de um projeto colaborativo, liderado pelo Dr. Felix Deschler e Dr. Sam Stranks.

O material mais comumente usado para a produção de painéis solares é o silício cristalino, mas para obter uma conversão de energia eficiente requer um processo de produção caro e demorado. O material de silício precisa ter uma estrutura de wafer altamente ordenada e é muito sensível a quaisquer impurezas, como poeira, então tem que ser feito em uma sala limpa.

Na última década, materiais perovskita surgiram como alternativas promissoras.

Os sais de chumbo usados ​​para fazê-los são muito mais abundantes e mais baratos de produzir do que o silício cristalino, e eles podem ser preparados em uma tinta líquida que é simplesmente impressa para produzir um filme do material.

Os componentes usados ​​para fazer a perovskita podem ser alterados para dar aos materiais cores e propriedades estruturais diferentes, por exemplo, fazer com que os filmes emitam cores diferentes ou coletem a luz do sol com mais eficiência.

Você só precisa de uma película muito fina deste material de perovskita - cerca de mil vezes mais fino do que um fio de cabelo humano - para alcançar eficiências semelhantes às das pastilhas de silício usadas atualmente, abrindo a possibilidade de incorporá-los em janelas ou flexíveis, telas de smartphone ultraleves.

"Esta é a nova classe de semicondutores que pode realmente revolucionar todas essas tecnologias, "disse Sascha Feldmann, um Ph.D. estudante do Laboratório Cavendish de Cambridge.

“Esses materiais apresentam emissão muito eficiente quando você os excita com fontes de energia como a luz, ou aplique uma tensão para acionar um LED.

"Isso é realmente útil, mas não ficou claro por que esses materiais que processamos em nossos laboratórios de forma tão mais crua do que essas salas limpas, wafers de silício de alta pureza, estão tendo um desempenho tão bom. "

Os cientistas presumiram que, como com materiais de silício, quanto mais ordenados eles poderiam fazer os materiais, mais eficientes eles seriam. Mas Feldmann e seu co-autor Stuart MacPherson ficaram surpresos ao descobrir que o oposto é verdadeiro.

"A descoberta foi realmente uma grande surpresa, "disse Deschler, que agora está liderando um grupo de pesquisa Emmy-Noether na TU Munich. "Fazemos muita espectroscopia para explorar os mecanismos de funcionamento de nossos materiais, e estavam me perguntando por que esses filmes tão quimicamente bagunçados estavam se saindo tão excepcionalmente bem. "

"Foi fascinante ver quanta luz poderíamos obter desses materiais em um cenário onde esperávamos que fossem bastante escuros, "disse MacPherson, um Ph.D. estudante no Laboratório Cavendish. "Talvez não devêssemos nos surpreender, considerando que os perovskitas reescreveram o livro de regras sobre desempenho na presença de defeitos e desordem."

Os pesquisadores descobriram que seu áspero, preparações de liga de multicomponentes estavam, na verdade, melhorando a eficiência dos materiais, criando muitas áreas com composições diferentes que poderiam prender os portadores de carga energizados, seja da luz do sol em uma célula solar, ou uma corrente elétrica em um LED.

"É realmente por causa desse processamento bruto e subsequente desmistura dos componentes químicos que você cria esses vales e montanhas de energia em que as cargas podem afunilar e se concentrar em, "disse Feldmann." Isso os torna mais fáceis de extrair para sua célula solar, e é mais eficiente produzir luz a partir desses pontos de acesso em um LED. "

Suas descobertas podem ter um grande impacto no sucesso da fabricação desses materiais.

"As empresas que buscam fazer linhas de fabricação maiores para perovskitas têm tentado resolver o problema de como tornar os filmes mais homogêneos, mas agora podemos mostrar a eles que, na verdade, um processo simples de impressão a jato de tinta poderia fazer um trabalho melhor, "disse Feldmann.

"A beleza do estudo realmente reside na descoberta contra-intuitiva de que fácil de fazer não significa que o material será pior, mas pode realmente ser melhor. "

"Agora é um desafio emocionante encontrar as condições de fabricação que criam a desordem ideal nos materiais para atingir a eficiência máxima, ao mesmo tempo que mantém as propriedades estruturais necessárias para aplicações específicas, "Disse Deschler.

"Se pudermos aprender a controlar o distúrbio com ainda mais precisão, poderíamos esperar mais melhorias no desempenho do LED ou da célula solar - e até mesmo ir muito além do silício com células solares em tandem personalizadas compreendendo duas camadas de perovskita de cores diferentes que, juntas, podem colher ainda mais energia do sol do que uma única camada, "disse o Dr. Sam Stranks, Professor da Universidade de Energia no Departamento de Engenharia Química e Biotecnologia de Cambridge e no Laboratório Cavendish.

Outra limitação dos materiais perovskita é sua sensibilidade à umidade, portanto, os grupos também estão investigando maneiras de melhorar sua estabilidade.

"Ainda há trabalho a fazer para que durem em telhados da mesma forma que o silício pode, mas estou otimista, "disse Stranks.