Pesquisadores da Universidade de Houston relataram a primeira explicação de como uma classe de materiais muda durante a produção para absorver a luz com mais eficiência, um passo crítico para a fabricação em grande escala de painéis solares melhores e mais baratos.

O trabalho, publicado este mês como matéria de capa para Nanoescala , oferece um estudo de mecanismo de como um filme fino de perovskita muda sua estrutura microscópica mediante aquecimento suave, disse Yan Yao, professor assistente de engenharia elétrica e da computação e autor principal do artigo. Esta informação é crucial para projetar um processo de fabricação que pode produzir consistentemente painéis solares de alta eficiência.

No ano passado, Yao e outros pesquisadores identificaram a estrutura cristalina da fase intermediária não estequiométrica como o elemento-chave para células solares de perovskita de alta eficiência. Mas o que aconteceu durante a etapa de recozimento térmico posterior permaneceu obscuro. O trabalho é ciência fundamental, Yao disse, mas crítico para o processamento de células solares mais eficientes.

"De outra forma, é como uma caixa preta, "disse ele." Sabemos que certas condições de processamento são importantes, mas não sabemos por quê. "

Outros pesquisadores envolvidos com o projeto incluem o primeiro autor Yaoguang Rong, anteriormente um pós-doutorado na UH e agora professor associado da Huazhong University of Science and Technology na China; Os bolsistas de pós-doutorado da UH Swaminathan Venkatesan e Yanan Wang; Jiming Bao, professor associado de engenharia elétrica e da computação na UH; Rui Guo e Wenzhi Li da Florida International University, e Zhiyong Fan da Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong.

Yao também é o investigador principal do Texas Center for Superconductivity em UH, que forneceu financiamento para a obra.

O trabalho também rendeu uma surpresa:os materiais mostraram um pico de eficiência - a taxa em que o material converteu luz em eletricidade - antes que a transformação da fase intermediária fosse concluída, sugerindo uma nova forma de produzir os filmes para garantir a máxima eficiência. Yao disse que os pesquisadores esperavam que a maior eficiência ocorresse depois que o material fosse convertido em filme 100% perovskita. Em vez de, eles descobriram que os dispositivos solares de melhor desempenho foram aqueles cuja conversão foi interrompida em 18 por cento da fase intermediária, antes da conversão completa.

"Descobrimos que a composição da fase e a morfologia dos filmes de perovskita projetados com solvente são fortemente dependentes das condições de processamento e podem influenciar significativamente o desempenho fotovoltaico, "escreveram os pesquisadores." A forte dependência das condições de processamento é atribuída à cinética de troca molecular entre as moléculas de haleto orgânico e o DMSO (dimetilsulfóxido) coordenado na fase intermediária.

Os compostos de perovskita geralmente são compostos de chumbo orgânico-inorgânico híbrido ou material à base de haleto de estanho e têm sido pesquisados ​​como materiais potenciais para células solares por vários anos. Yao disse que suas vantagens incluem o fato de que os materiais podem funcionar como filmes muito finos - cerca de 300 nanômetros, em comparação com entre 200 e 300 micrômetros para wafers de silício, o material mais comumente usado para células solares. As células solares de perovskita também podem ser produzidas por processamento de solução em temperaturas abaixo de 150 graus centígrados (cerca de 300 graus Fahrenheit), tornando-as relativamente baratas de produzir.

No seu melhor, células solares de perovskita têm uma taxa de eficiência de cerca de 22 por cento, ligeiramente inferior ao do silício (25 por cento). Mas o custo das células solares de silício também está caindo drasticamente, e as células perovskita são instáveis ​​no ar, perdendo eficiência rapidamente. Eles também geralmente contêm chumbo, uma toxina.

Ainda, Yao disse, os materiais são uma grande promessa para a indústria solar, mesmo que seja improvável que substituam inteiramente o silício. Em vez de, ele disse, eles podem ser usados ​​em conjunto com o silício, aumentando a eficiência para 30 por cento ou mais.