Um novo design para células solares que utiliza materiais de baixo custo e comumente disponíveis poderia rivalizar e até superar as células convencionais feitas de silício.
Os cientistas usaram estanho e outros elementos abundantes para criar novas formas de perovskita - um material cristalino fotovoltaico que é mais fino, mais flexível e mais fácil de fabricar do que os cristais de silício. Eles relatam suas pesquisas na revista Ciência.
“Semicondutores de perovskita mostraram uma grande promessa para fazer células solares de alta eficiência a baixo custo”, diz o co-autor do estudo Michael McGehee, professor de ciência e engenharia de materiais da Universidade de Stanford. "Projetamos um dispositivo robusto de perovskita que converte a luz solar em eletricidade com uma eficiência de 20.3 por cento, uma taxa comparável às células solares de silício no mercado hoje."
Pilha dupla perovskita
O novo dispositivo consiste em duas células solares de perovskita empilhadas em conjunto. Cada célula é impressa em vidro, mas a mesma tecnologia pode ser usada para imprimir as células em plástico.
“As células tandem de todo-perovskita que demonstramos claramente delineiam um roteiro para células solares de filme fino para fornecer mais de 30 por cento de eficiência”, diz o co-autor Henry Snaith, professor de física na Universidade de Oxford. "Isto é apenas o começo."
Estudos anteriores mostraram que a adição de uma camada de perovskita pode melhorar a eficiência das células solares de silício. Mas um dispositivo em tandem composto por duas células de perovskita seria mais barato e menos intensivo em termos de energia, segundo os cientistas.
“Um painel solar de silício começa por converter a rocha de sílica em cristais de silício através de um processo que envolve temperaturas acima de 3,000 graus Fahrenheit”, diz o autor Colead Tomas Leijtens, um estudioso de pós-doutorado em Stanford. “Células de perovskita podem ser processadas em laboratório a partir de materiais comuns como chumbo, estanho e bromo, depois impressas em vidro à temperatura ambiente.”
Um desafio difícil
Mas construir um dispositivo tandem todo-perovskita tem sido um desafio difícil. O principal problema é a criação de materiais estáveis de perovskita capazes de captar energia suficiente do sol para produzir uma voltagem decente.
Uma típica célula de perovskita colhe fótons da parte visível do espectro solar. Fótons de energia mais alta podem fazer com que os elétrons do cristal de perovskita pulem através de um "espaço de energia" e criem uma corrente elétrica.
Uma célula solar com um pequeno espaço de energia pode absorver a maioria dos fótons, mas produz uma voltagem muito baixa. Uma célula com um maior intervalo de energia gera uma voltagem mais alta, mas os fótons de menor energia passam através dela.
Um dispositivo tandem eficiente consistiria de duas células idealmente combinadas, diz a autora co-principal Giles Eperon, um acadêmico de pós-doutorado da Oxford atualmente na Universidade de Washington.
"A célula com o maior gap de energia absorveria fótons de energia mais alta e geraria uma voltagem adicional", diz Eperon. "A célula com o menor espaço de energia pode coletar fótons que não são coletados pela primeira célula e ainda produzir uma voltagem".
Problema de estabilidade
A lacuna menor provou ser o maior desafio para os cientistas. Trabalhando juntos, Eperon e Leijtens usaram uma combinação única de estanho, chumbo, césio, iodo e materiais orgânicos para criar uma célula eficiente com um pequeno intervalo de energia.
"Desenvolvemos uma nova perovskita que absorve a luz infravermelha de baixa energia e oferece uma eficiência de conversão percentual de 14.8", diz Eperon. "Nós então combinamos com uma célula de perovskita composta de materiais semelhantes, mas com um maior gap de energia".
O resultado: Um dispositivo em tandem que consiste em duas células de perovskita com uma eficiência combinada de 20.3 por cento.
"Existem milhares de compostos possíveis para perovskitas", diz Leijtens, "mas este funciona muito bem, um pouco melhor do que qualquer coisa antes".
'Glue' truque cresce células solares de perovskita maiores
Uma preocupação com perovskitas é a estabilidade. Painéis solares de telhado feitos de silício normalmente duram 25 anos ou mais. Mas alguns perovskitas se degradam rapidamente quando expostos à umidade ou à luz. Em experiências anteriores, descobriu-se que as perovskitas feitas com estanho eram particularmente instáveis.
Para avaliar a estabilidade, a equipe de pesquisa submeteu ambas as células experimentais a temperaturas de 212 graus Fahrenheit (100 graus Celsius) por quatro dias.
"Crucialmente, descobrimos que nossas células exibem excelente estabilidade térmica e atmosférica, sem precedentes para perovskitas à base de estanho", escrevem os autores.
"A eficiência do nosso dispositivo tandem já está muito acima das melhores células solares em série feitas com outros semicondutores de baixo custo, como pequenas moléculas orgânicas e silício microcristalino", diz McGehee. "Aqueles que vêem o potencial percebem que esses resultados são surpreendentes."
O próximo passo é otimizar a composição dos materiais para absorver mais luz e gerar uma corrente ainda maior, diz Snaith.
“A versatilidade das perovskitas, o baixo custo de materiais e manufatura, agora combinadas com o potencial para atingir eficiências muito altas, serão transformadoras para a indústria fotovoltaica, uma vez que a manufaturabilidade e a estabilidade aceitável também são comprovadas”, diz ele.
Outros pesquisadores de Stanford, Oxford, Hasselt University na Bélgica e SunPreme Inc. são co-autores do estudo.
O financiamento veio do Graphene Flagship, The Leverhulme Trust, do Conselho de Pesquisa de Engenharia e Ciências Físicas do Reino Unido, do Sétimo Programa-Quadro da União Europeia, Horizon 2020, do US Office of Naval Research e do Global Climate and Energy Project em Stanford.
Fonte: Universidade de Stanford
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