Uma equipe de pesquisadores da Faculdade de Ciências Aplicadas e Engenharia da Universidade de Toronto alavancou a mecânica quântica para otimizar a camada ativa dentro de um dispositivo conhecido como célula solar de perovskita invertida – uma tecnologia que um dia poderia resultar em células solares de mercado de massa que custam uma fração dos que estão atualmente no mercado.
Atualmente, praticamente todas as células solares comerciais são feitas de silício de alta pureza, que consome muita energia para ser produzido. Mas pesquisadores de todo o mundo estão experimentando tecnologias solares alternativas que podem ser fabricadas e instaladas com menos energia e a um custo menor.

Uma dessas alternativas, que está sendo estudada no laboratório do Sargent Group, é conhecida como perovskita. O poder dos materiais de perovskita vem de sua estrutura cristalina única, que lhes permite absorver a luz em uma camada muito fina e convertê-la em eletricidade com eficiência.

“Os cristais de perovskita são feitos de uma tinta líquida e revestidos em superfícies usando tecnologia já bem estabelecida na indústria, como impressão rolo a rolo”, diz Hao Chen, pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Sargent e um dos quatro colegas. -autores principais de um novo artigo publicado na Nature Photonics .

"Por causa disso, as células solares de perovskita têm o potencial de serem produzidas em massa com um custo de energia muito menor do que o silício. O desafio é que agora as células solares de perovskita ficam atrás das células de silício tradicionais em estabilidade. Neste estudo, pretendemos fechar essa lacuna. "

Chen, juntamente com seus co-autores principais—Ph.D. o candidato Sam Teale e os pesquisadores de pós-doutorado Bin Chen e Yi Hou – estão usando uma estratégia baseada em uma estrutura de célula solar invertida.

Na maioria dos protótipos de células solares de perovskita, os elétrons saem através de um eletrodo negativo na camada inferior da célula, com os "buracos" que deixam para trás saindo através de um eletrodo positivo no topo.

A reversão desse arranjo permite o uso de técnicas alternativas de fabricação e pesquisas anteriores mostraram que elas podem melhorar a estabilidade da camada de perovskita. Mas a mudança tem um custo em termos de desempenho.

"É difícil obter um bom contato entre a camada de perovskita e o eletrodo superior", diz Chen. "Para resolver isso, os pesquisadores normalmente inserem uma camada de passivação feita de moléculas orgânicas. Isso funciona muito bem na orientação tradicional, porque 'buracos' podem passar por essa camada de passivação. Mas os elétrons são bloqueados por essa camada, então quando você inverte o celular torna-se um grande problema."

A equipe superou essa limitação aproveitando a mecânica quântica – o princípio físico que afirma que o comportamento dos materiais em escalas de comprimento muito pequenas é diferente do que é observado em escalas maiores.

"No nosso protótipo de células solares, as perovskitas estão confinadas a uma camada extremamente fina - apenas um a três cristais de altura", diz Teale. "Essa forma bidimensional nos permite acessar propriedades associadas à mecânica quântica. Podemos controlar, por exemplo, quais comprimentos de onda de luz as perovskitas absorvem ou como os elétrons se movem dentro da camada."

A equipe usou primeiro uma técnica química estabelecida por outros grupos para produzir uma superfície bidimensional de perovskita no topo de sua célula solar. Isso permitiu que a camada de perovskita alcançasse a passivação por conta própria, eliminando completamente a necessidade da camada orgânica.

Para superar o efeito de bloqueio de elétrons, a equipe aumentou a espessura da camada de perovskita de um cristal de altura para três. Simulações de computador mostraram que essa mudança alteraria o cenário de energia o suficiente para permitir que os elétrons escapassem para um circuito externo, uma previsão que foi confirmada no laboratório.

A eficiência de conversão de energia das células da equipe foi medida em 23,9%, um nível que não diminuiu após 1.000 horas de operação em temperatura ambiente. Mesmo quando submetido a um processo de envelhecimento acelerado padrão do setor em temperaturas de até 65 C, o desempenho diminuiu apenas 8% após mais de 500 horas de uso.

O trabalho futuro se concentrará em aumentar ainda mais a estabilidade das células, inclusive sob temperaturas ainda mais altas. A equipe também gostaria de construir células com uma área de superfície maior, já que as células atuais têm apenas cerca de cinco milímetros quadrados de tamanho.

Ainda assim, os resultados atuais são um bom presságio para o futuro dessa tecnologia solar alternativa.

“Em nosso artigo, comparamos nossos protótipos com células solares de perovskita tradicionais e invertidas que foram publicadas recentemente na literatura científica”, diz Teale.

"A combinação de alta estabilidade e alta eficiência que alcançamos realmente se destaca. Também devemos ter em mente que a tecnologia da perovskita tem apenas algumas décadas, enquanto o silício tem sido trabalhado há 70 anos. Ainda há muitas melhorias a serem feitas venha." + Explorar mais

Os pontos quânticos aumentam a eficiência e a escalabilidade das células solares de perovskita