Fonte: cei.washington.edu/
O que é um perovskite
Uma perovskita é um material que possui a mesma estrutura cristalina do óxido de titânio e cálcio mineral, o primeiro cristal de perovskita descoberto. Geralmente, os compostos de perovskita têm uma fórmula química ABX3, onde 'A' e 'B' representam cátions e X é um ânion que se liga a ambos. Um grande número de elementos diferentes podem ser combinados para formar estruturas de perovskita. Usando essa flexibilidade de composição, os cientistas podem projetar cristais de perovskita para ter uma ampla variedade de características físicas, ópticas e elétricas. Cristais de perovskita são encontrados hoje em máquinas de ultrassom, chips de memória e agora - células solares.
Um esquema de uma estrutura de cristal de perovskita. (Wikimedia Commons)
Aplicações de energia limpa de perovskitas
Todas as células solares fotovoltaicas dependem de semicondutores - materiais intermediários entre os isoladores elétricos, como o vidro, e os condutores metálicos, como o cobre - para transformar a energia da luz em eletricidade. A luz do sol excita os elétrons do material semicondutor, que fluem para os eletrodos condutores e produzem corrente elétrica.
O silício tem sido o principal material semicondutor usado em células solares desde 1950, pois suas propriedades semicondutoras se alinham bem com o espectro dos raios solares e é relativamente abundante e estável. No entanto, os grandes cristais de silício usados em painéis solares convencionais exigem um processo de fabricação caro e de várias etapas que utiliza muita energia. Na busca por uma alternativa, os cientistas aproveitaram a capacidade de ajuste das perovskitas para criar semicondutores com propriedades semelhantes às do silício. As células solares de perovskita podem ser fabricadas usando técnicas simples de deposição aditiva, como impressão, por uma fração do custo e da energia. Devido à flexibilidade de composição das perovskitas, elas também podem ser ajustadas para se adequar de maneira ideal ao espectro do sol.
Em 2012, os pesquisadores descobriram pela primeira vez como fazer uma célula solar de perovskita de filme fino estável com eficiências de conversão de fótons em elétrons de luz acima de 10%, usando perovskitas de haleto de chumbo como camada de absorção de luz. Desde então, a eficiência de conversão de luz solar em energia elétrica das células solares de perovskita disparou, com o recorde de laboratório em 25,2%. Os pesquisadores também estão combinando células solares de perovskita com células solares de silício convencionais - a eficiência recorde para essas células em tandem de “perovskita em silício” é atualmente de 29,1% (ultrapassando o recorde de 27% para células de silício convencionais) e aumentando rapidamente. Com este rápido aumento na eficiência celular, as células solares de perovskita e as células solares em tandem de perovskita podem logo se tornar alternativas baratas e altamente eficientes às células solares de silício convencionais.
Seção transversal de uma célula solar perovskita. (Instituto de Energia Limpa)
Quais são alguns dos objetivos da pesquisa atual?
Enquanto as células solares de perovskita, incluindo perovskita em tandem de silício, estão sendo comercializadas por dezenas de empresas em todo o mundo, ainda existem desafios científicos e de engenharia básicos para resolver que podem melhorar seu desempenho, confiabilidade e capacidade de fabricação.
Alguns pesquisadores da perovskita continuam a aumentar a eficiência de conversão ao caracterizar defeitos na perovskita. Embora os semicondutores de perovskita sejam notavelmente tolerantes a defeitos, os defeitos ainda - afetam negativamente o desempenho - especialmente aqueles que ocorrem na superfície da camada ativa. Outros pesquisadores estão explorando novas formulações químicas de perovskita, tanto para ajustar suas propriedades eletrônicas para aplicações específicas (como pilhas de células em tandem), ou para melhorar ainda mais sua estabilidade e vida útil.
Os pesquisadores também estão trabalhando em novos designs de células, novas estratégias de encapsulamento para proteger as perovskitas do meio ambiente e para compreender os caminhos básicos de degradação para que possam usar estudos de envelhecimento acelerado para prever como as células solares de perovskita durarão nos telhados. Outros estão explorando rapidamente uma variedade de processos de fabricação, incluindo como adaptar “tintas” de perovskita para métodos de impressão de solução em larga escala estabelecidos. Finalmente, embora as perovskitas de melhor desempenho sejam hoje feitas com uma pequena quantidade de chumbo, os pesquisadores também estão explorando composições alternativas e novas estratégias de encapsulamento, a fim de mitigar as preocupações associadas à toxicidade do chumbo.
Como o CEI está avançando os perovskitas?
Os cristais de perovskita geralmente apresentam defeitos em escala atômica que podem reduzir a eficiência da conversão solar. O cientista-chefe da CEI e professor de química, David Ginger, desenvolveu técnicas de “passivação”, tratando perovskitas com diferentes compostos químicos para curar esses defeitos. Mas quando os cristais de perovskita são montados em células solares, os eletrodos coletores de corrente podem criar defeitos adicionais. Em 2019, Ginger e colaboradores da Georgia Tech receberam financiamento do Departamento de Energia dos Estados UnidosSolar Energy Technologies Office (SETO) para desenvolver novas estratégias de passivação e novos materiais de coleta de carga, permitindo que as células solares de perovskita alcancem seu potencial de eficiência total, embora permaneçam compatíveis com fabricação de baixo custo.
O professor de química Daniel Gamelin e seu grupo visam modificar células solares de silício com revestimentos de perovskita para coletar fótons de alta energia de luz azul com mais eficiência, ultrapassando o limite teórico de 33% de conversão para células de silício convencionais. Gamelin e sua equipe desenvolveram pontos quânticos de perovskita - partículas minúsculas milhares de vezes menores que um cabelo humano - que podem absorver fótons de alta energia e emitir o dobro de fótons de baixa energia, um processo denominado "corte quântico". Cada fóton absorvido por uma célula solar gera um elétron, então o revestimento de pontos quânticos de perovskita pode aumentar drasticamente a eficiência de conversão.
Gamelin e sua equipe formaram uma empresa spinoff chamada BlueDot Photonics para comercializar a tecnologia. Com financiamento da SETO, Gamelin e BlueDot estão desenvolvendo técnicas de deposição para criar filmes finos de materiais de perovskita para células solares de grandes áreas e para melhorar as células solares de silício convencionais.
O professor de engenharia química Hugh Hillhouse está usando algoritmos de aprendizado de máquina para auxiliar na pesquisa de perovskitas. Usando fotoluminescência capturada por vídeo de alta velocidade, Hillhouse e seu grupo estão testando uma variedade de perovskitas híbridas para estabilidade de longo prazo. Esses experimentos geram enormes conjuntos de dados, mas usando o aprendizado de máquina, eles visam gerar um modelo preditivo de degradação para células solares de perovskita. Este modelo pode ajudá-los a otimizar a composição química e a estrutura de uma célula solar de perovskita para estabilidade de longo prazo - uma barreira fundamental para a comercialização.
No Washington Clean Energy Testbeds, um laboratório de acesso aberto operado pela CEI, pesquisadores e empresários podem utilizar equipamentos de última geração para desenvolver, testar e dimensionar tecnologias como células solares de perovskita. Usando a impressora rolo a rolo nos Testbeds, as tintas perovskite podem ser impressas em baixas temperaturas em substratos flexíveis. Diretor técnico de testeJ. Devin MacKenzie, professor de ciência dos materiais& engenharia e engenharia mecânica na UW, é especialista em materiais e técnicas para fabricação de alto rendimento e baixa pegada de carbono. Um dos projetos mais ativos de seu grupo, também financiado pela SETO, está desenvolvendo instrumentos in situ que podem medir o crescimento de cristais de perovskita conforme eles estão sendo rapidamente depositados durante a impressão rolo a rolo. Com o apoio do Centro Conjunto para o Desenvolvimento e Research of Earth Abundant Materials (JCDREAM), o grupo de MacKenzie também está usando a impressora de maior resolução do mundo para desenvolver novos eletrodos para puxar a corrente elétrica para fora das células solares de perovskita sem bloquear a entrada da luz solar na célula.
J. Devin MacKenzie, Diretor Técnico da Washington Clean Energy Testbeds, demonstrando a impressora rolo-a-rolo de vários estágios da Testbeds para eletrônicos flexíveis. (Instituto de Energia Limpa)
