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Um novo tipo de tecnologia solar parece ser promissor nos últimos anos.As células solares de perovskita de alóide são de alto desempenho e de baixo custo para a produção de energia elétrica, dois ingredientes necessários para qualquer tecnologia solar de sucesso do futuro.Mas os novos materiais de células solares também devem igualar a estabilidade das células solares à base de silício, que ostentam mais de 25 anos de fiabilidade.
Em uma pesquisa recentemente publicada, uma equipa liderada por Juan-Pablo Correa-Baena, professor assistente na Escola de Ciências e Engenharia de Materiais da Georgia Tech,mostra que as células solares de perovskita de halogeneto são menos estáveis do que se pensava anteriormenteO trabalho deles revela a instabilidade térmica que ocorre dentro das camadas de interface das células, mas também oferece um caminho para a confiabilidade e eficiência para a tecnologia solar de perovskita de halogenetos.A sua pesquisa, publicado como história de capa para o jornalMateriais AvançadosEm dezembro de 2022, tem implicações imediatas tanto para académicos como para profissionais da indústria que trabalham com perovskitas na fotovoltaica, um campo relacionado com as correntes elétricas geradas pela luz solar.
As células solares de perovskita de halogeneto de chumbo prometem uma conversão superior da luz solar em energia elétrica.A estratégia mais comum para convencer a alta eficiência de conversão dessas células é tratar suas superfícies com grandes íons carregados positivamente conhecidos como cátions.
Esses cátions são grandes demais para caber na rede de escala atômica da perovskita e, ao pousar no cristal de perovskita, mudam a estrutura do material na interface onde são depositados.Os defeitos resultantes em escala atômica limitam a eficácia da extração de corrente da célula solarApesar da consciência destas alterações estruturais, a investigação sobre se os cátions são estáveis após a deposição é limitada.Deixando uma lacuna na compreensão de um processo que poderia afetar a viabilidade a longo prazo das células solares de perovskita de halogenetos.
"Nossa preocupação era que, durante longos períodos de funcionamento das células solares, a reconstrução das interfaces continuasse", disse Correa-Baena.Procurámos compreender e demonstrar como este processo acontece ao longo do tempo.
Para realizar o experimento, a equipe criou uma amostra de dispositivo solar usando filmes típicos de perovskita.que permite aos investigadores experimentar e gerar dados com base no desempenho de cada célulaInvestigaram como as células se comportariam, tanto com como sem o tratamento de superfície de cátiones.e estudou as interfaces modificadas por catião de cada célula antes e após estresse térmico prolongado usando técnicas de caracterização por raios-X baseadas em síncrotron.
Primeiro, os investigadores expuseram as amostras pré-tratadas a 100 graus.Celsosdurante 40 minutos, e depois mediram as alterações na sua composição química utilizando espectroscopia fotoelétrónica de raios-X.Também usaram outro tipo de tecnologia de raios-X para investigar com precisão que tipo de estruturas cristalinas se formam na superfície do filme.Combinando as informações dos dois instrumentos, os investigadores puderam visualizar como os catiões se difundem na rede e como a estrutura da interface muda quando expostos ao calor.
Em seguida, para entender como as mudanças estruturais induzidas por catiões afetam o desempenho da célula solar, os pesquisadores empregaram espectroscopia de correlação de excitação em colaboração com Carlos Silva,Professor de Física e Química na Georgia TechA técnica expõe as amostras das células solares a pulsos de luz muito rápidos e detecta a intensidade da luz emitida pelo filme após cada pulso para compreender como a energia da luz é perdida.As medições permitem aos investigadores compreender que tipos de defeitos de superfície são prejudiciais ao desempenho.
Finalmente, a equipe correlacionou as mudanças na estrutura e propriedades optoeletrônicas com as diferenças na eficiência das células solares.Estudaram também as alterações induzidas por altas temperaturas em dois dos cátions mais utilizados e observaram as diferenças de dinâmica nas suas interfaces..
"Os nossos trabalhos revelaram que há uma instabilidade preocupante introduzida pelo tratamento com certos catiões", afirmou Carlo Perini, cientista de investigação no laboratório de Correa-Baena e primeiro autor do artigo.Mas a boa notícia é que, com a engenharia adequada da camada de interface, veremos estabilidade reforçada desta tecnologia no futuro.
Os pesquisadores descobriram que as superfícies de filmes de perovskita de halogenetos metálicos tratados com cátions orgânicos continuam a evoluir em estrutura e composição sob estresse térmico.Eles viram que as mudanças resultantes em escala atômica na interface podem causar uma perda significativa na eficiência de conversão de energia nas células solaresAlém disso, descobriram que a velocidade destas alterações depende do tipo de cátions utilizados, sugerindo que interfaces estáveis podem estar ao alcance com a engenharia adequada das moléculas.
"Esperamos que este trabalho obrigue os investigadores a testar estas interfaces a altas temperaturas e a procurar soluções para o problema da instabilidade", disse Correa-Baena.¢Este trabalho deverá orientar os cientistas na direcção correcta, para uma área em que possam concentrar-se para construir tecnologias solares mais eficientes e estáveis.