Por toda a promessa que eles mostraram no laboratório, as células solares de polímero ainda precisam "entrar em ação", como as empregadas na impressão de jornais, para que grandes folhas de dispositivos fotovoltaicos com eficiência aceitável possam ser fabricadas de forma contínua e econômica. As células solares de polímero oferecem vantagens sobre suas contrapartes tradicionais à base de silício de várias maneiras, incluindo custo mais baixo, pegada de carbono potencialmente menor e uma maior variedade de usos.

Novos resultados de pesquisa relatados por uma equipe internacional liderada pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) indicam que o "ponto ideal" para células solares de polímero de produção em massa - uma perspectiva tentadora por décadas - pode ser muito maior do que o ditado pelo convencional sabedoria. Em experimentos usando um mock-up de alto volume, método de processamento rolo a rolo, os pesquisadores produziram células solares baseadas em polímeros com uma "eficiência de conversão de energia" melhor que 9,5 por cento, apenas tímido do alvo comercial mínimo de 10 por cento.

Isso é quase tão bom quanto os dispositivos de pequenos lotes feitos no laboratório com revestimento giratório, um método que produz filmes de alta qualidade em laboratório, mas é comercialmente impraticável, pois desperdiça até 90% da tinta inicial.

Um tanto surpreendente para os pesquisadores, suas versões produzidas em massa exibiam embalagem molecular e textura que apenas se assemelhava a variedades feitas em laboratório, que, na melhor das hipóteses, convertem cerca de 11% da luz solar incidente em energia elétrica.

"A regra geral é que as células solares de polímero de alto volume devem ser semelhantes às feitas em laboratório em termos de estrutura, organização e forma em escala nanométrica, "disse Lee Richter, um físico do NIST que trabalha com polímeros funcionais. "Nossos experimentos indicam que os requisitos são muito mais flexíveis do que o assumido, permitindo maior variabilidade estrutural sem sacrificar significativamente a eficiência de conversão. "

"Fabricação eficiente de rolo a rolo é a chave para alcançar o baixo custo, produção de alto volume que permitiria a energia fotovoltaica escalar para uma fração significativa da produção global de energia, "explicou He Yan, um colaborador da Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong.

A equipe experimentou um material de revestimento composto por um polímero fluorado e um fulereno (também conhecido como "buckyball"). Atendendo pelo nome técnico PffBT4T-2OD, o polímero é atraente para produção em escala - alcançando uma eficiência de conversão de energia relatada de mais de 11 por cento. Mais importante, pode ser aplicado em camadas relativamente grossas - propício ao processamento rolo a rolo.

Contudo, as células solares de melhor desempenho foram produzidas com o método de revestimento por rotação, um processo de pequeno lote. Em revestimento de rotação, o fluido é dispensado no centro de um disco ou outro substrato, que gira para espalhar o material até que a espessura de revestimento desejada seja alcançada. Além de gerar muitos resíduos, o processo é fragmentado - em vez de contínuo - e o tamanho do substrato é limitado.

Portanto, a equipe de pesquisa optou por testar métodos de revestimento comercialmente relevantes, especialmente porque PffBT4T-2OD pode ser aplicado em camadas relativamente grossas de 250 nanômetros e mais, ou aproximadamente do tamanho de um grande vírus. Eles começaram com o revestimento de lâmina - semelhante a segurar o fio de uma faca a uma fração da largura de um fio de cabelo acima de um substrato de vidro tratado enquanto ele desliza, pintar o PffBT4T-2OD no substrato.

Uma série de medições baseadas em raios-X revelou que a temperatura na qual o PffBT4T-2OD foi aplicado e seco influenciou significativamente a estrutura do material do revestimento resultante - especialmente a orientação, espaçamento e distribuição dos cristais que se formaram.

Os substratos revestidos com lâmina a 90 graus Celsius (194 graus F) foram os de melhor desempenho, alcançando eficiências de conversão de energia que ultrapassaram 9,5 por cento. Surpreendentemente, no nível nanométrico, os produtos finais diferiam significativamente dos dispositivos "campeões" com revestimento giratório feitos em laboratório. Medições detalhadas em tempo real durante o revestimento por lâmina e o revestimento por rotação revelaram que as diferentes estruturas surgiram do rápido resfriamento durante o revestimento por rotação versus a temperatura constante durante o revestimento por lâmina.

"As medições em tempo real foram críticas para o desenvolvimento de uma compreensão adequada da cinética de formação do filme e da otimização final, "disse Aram Amassian, um colaborador da King Abdullah University of Science and Technology da Arábia Saudita.

Encorajado pelos resultados, a equipe realizou medições preliminares do revestimento PffBT4T-2OD formado na superfície de uma folha de plástico flexível. O revestimento foi aplicado na linha de revestimento roll-to-roll do NIST, imitando diretamente a produção em grande escala. As medições confirmaram que as estruturas de materiais feitas com revestimento de lâmina e aquelas feitas com revestimento de matriz de fenda eram quase idênticas quando processadas nas mesmas temperaturas.

“Está claro que o tipo de método de processamento utilizado influencia a forma dos domínios e sua distribuição de tamanho no revestimento final, mas essas morfologias distintas não afetam necessariamente o desempenho, "disse Harald Ade, um colaborador da North Carolina State University. "Acreditamos que essas descobertas fornecem pistas importantes para projetar células solares de polímero otimizadas para processamento roll-to-roll."