Os engenheiros da Rice University alcançaram uma nova referência no design de células solares atomicamente finas feitas de perovskitas semicondutoras, aumentando sua eficiência e mantendo sua capacidade de resistir ao meio ambiente.
O laboratório de Aditya Mohite da Escola de Engenharia George R. Brown de Rice descobriu que a própria luz solar contrai o espaço entre as camadas atômicas em perovskitas 2D o suficiente para melhorar a eficiência fotovoltaica do material em até 18%, um salto surpreendente em um campo onde o progresso é muitas vezes medido em frações de um por cento.

"Em 10 anos, a eficiência das perovskitas disparou de cerca de 3% para mais de 25%", disse Mohite. "Outros semicondutores levaram cerca de 60 anos para chegar lá. É por isso que estamos tão empolgados."

A pesquisa aparece em Nature Nanotechnology .

As perovskitas são compostos que possuem redes cristalinas cúbicas e são coletores de luz altamente eficientes. Seu potencial é conhecido há anos, mas eles apresentam um enigma:eles são bons em converter a luz solar em energia, mas a luz solar e a umidade os degradam.

"Espera-se que uma tecnologia de célula solar funcione por 20 a 25 anos", disse Mohite, professor associado de engenharia química e biomolecular e de ciência de materiais e nanoengenharia. "Trabalhamos há muitos anos e continuamos a trabalhar com perovskitas em massa que são muito eficientes, mas não tão estáveis. Em contraste, as perovskitas 2D têm uma tremenda estabilidade, mas não são eficientes o suficiente para serem colocadas em um telhado.

"A grande questão foi torná-los eficientes sem comprometer a estabilidade", disse ele.

Os engenheiros da Rice e seus colaboradores nas universidades Purdue e Northwestern, nos laboratórios nacionais do Departamento de Energia dos EUA Los Alamos, Argonne e Brookhaven e no Instituto de Eletrônica e Tecnologias Digitais (INSA) em Rennes, França, descobriram que em certas perovskitas 2D, a luz solar efetivamente encolhe o espaço entre os átomos, melhorando sua capacidade de transportar uma corrente.

“Descobrimos que, à medida que você acende o material, você o aperta como uma esponja e reúne as camadas para melhorar o transporte de carga nessa direção”, disse Mohite. Os pesquisadores descobriram que colocar uma camada de cátions orgânicos entre o iodeto na parte superior e o chumbo na parte inferior melhorou as interações entre as camadas.

“Este trabalho tem implicações significativas para estudar estados excitados e quasipartículas em que uma carga positiva está em uma camada e a carga negativa está na outra e elas podem conversar umas com as outras”, disse Mohite. "Estes são chamados excitons, que podem ter propriedades únicas.

“Esse efeito nos deu a oportunidade de entender e adaptar essas interações fundamentais de luz-matéria sem criar heteroestruturas complexas como dicalcogenetos de metais de transição 2D empilhados”, disse ele.

As experiências foram confirmadas por modelos de computador por colegas na França. "Este estudo ofereceu uma oportunidade única de combinar técnicas de simulação ab initio de última geração, investigações de materiais usando instalações nacionais de síncrotrons em larga escala e caracterizações in-situ de células solares em operação", disse Jacky Even, professor de física do INSA. "O artigo mostra pela primeira vez como um fenômeno de percolação de repente libera o fluxo de corrente de carga em um material de perovskita."

Ambos os resultados mostraram que após 10 minutos sob um simulador solar na intensidade de um sol, as perovskitas 2D contraíram 0,4% ao longo de seu comprimento e cerca de 1% de cima para baixo. Eles demonstraram que o efeito pode ser visto em 1 minuto sob intensidade de cinco sol.

"Não parece muito, mas essa contração de 1% no espaçamento da rede induz um grande aumento no fluxo de elétrons", disse o estudante de pós-graduação da Rice e co-autor Wenbin Li. "Nossa pesquisa mostra um aumento de três vezes na condução de elétrons do material."

Ao mesmo tempo, a natureza da estrutura tornou o material menos propenso à degradação, mesmo quando aquecido a 80 graus Celsius (176 graus Fahrenheit). Os pesquisadores também descobriram que a rede relaxou rapidamente de volta à sua configuração normal quando a luz foi desligada.

“Uma das principais atrações das perovskitas 2D é que elas geralmente têm átomos orgânicos que atuam como barreiras à umidade, são termicamente estáveis ​​e resolvem problemas de migração de íons”, disse o estudante de pós-graduação e coautor principal Siraj Sidhik. "As perovskitas 3D são propensas à instabilidade do calor e da luz, então os pesquisadores começaram a colocar camadas 2D em cima das perovskitas em massa para ver se elas poderiam obter o melhor de ambas.

"Pensamos, vamos passar apenas para 2D e torná-lo eficiente", disse ele.

Para observar a contração do material em ação, a equipe fez uso de duas instalações de usuários do Departamento de Energia dos EUA (DOE) Office of Science:a National Synchrotron Light Source II no DOE's Brookhaven National Laboratory e a Advanced Photon Source (APS) no DOE's Argonne National Laboratório.

O físico de Argonne, Joe Strzalka, co-autor do artigo, usou os raios-X ultrabrilhantes do APS para capturar mudanças estruturais minúsculas no material em tempo real. Os instrumentos sensíveis na linha de luz 8-ID-E do APS permitem estudos "operando", ou seja, aqueles realizados enquanto o dispositivo está passando por mudanças controladas de temperatura ou ambiente sob condições normais de operação. Nesse caso, Strzalka e seus colegas expuseram o material fotoativo da célula solar à luz solar simulada, mantendo a temperatura constante, e observaram pequenas contrações no nível atômico.

Como experimento de controle, Strzalka e seus coautores também mantiveram a sala escura e aumentaram a temperatura, observando o efeito oposto – uma expansão do material. Isso mostrou que era a própria luz, não o calor gerado, que causava a transformação.

"Para mudanças como essa, é importante fazer estudos operando", disse Strzalka. "Da mesma forma que seu mecânico quer operar seu motor para ver o que está acontecendo dentro dele, queremos essencialmente fazer um vídeo dessa transformação em vez de um único instantâneo. Instalações como o APS nos permitem fazer isso."

Strzalka observou que o APS está no meio de uma grande atualização que aumentará o brilho de seus raios-X em até 500 vezes. Quando estiver completo, disse ele, os feixes mais brilhantes e os detectores mais rápidos e nítidos melhorarão a capacidade dos cientistas de detectar essas mudanças com ainda mais sensibilidade.

Isso poderia ajudar a equipe Rice a ajustar os materiais para um desempenho ainda melhor. "Estamos no caminho de obter mais de 20% de eficiência através da engenharia de cátions e interfaces", disse Sidhik. "Isso mudaria tudo no campo das perovskitas, porque então as pessoas começariam a usar perovskitas 2D para tandems de perovskita/silício 2D e 2D/3D, o que poderia permitir eficiências próximas a 30%. Isso o tornaria atraente para comercialização."

Os co-autores do artigo são Jin Hou, Hao Zhang e Austin Fehr, estudantes de pós-graduação da Rice, Joseph Essman, estudante de intercâmbio Yafei Wang e o autor correspondente Jean-Christophe Blancon, cientista sênior do laboratório Mohite; Boubacar Traore, Claudine Katan no INSA; Reza Asadpour e Muhammad Alam de Purdue; Justin Hoffman, Ioannis Spanopoulos e Mercouri Kanatzidis da Northwestern; Jared Crochet de Los Alamos e Esther Tsai de Brookhaven. + Explorar mais

A química 3D aumenta a eficiência da perovskita para 23,9%