Fonte:news.mit.edu
As perovskitas prometem criar painéis solares que podem ser facilmente depositados na maioria das superfícies, incluindo as flexíveis e texturizadas. Esses materiais também seriam leves, baratos de produzir e tão eficientes quanto os principais materiais fotovoltaicos atuais, que são principalmente silício. Eles são objeto de crescente pesquisa e investimento, mas as empresas que procuram aproveitar seu potencial precisam enfrentar alguns obstáculos remanescentes antes que as células solares baseadas em perovskita possam ser comercialmente competitivas.
O termo perovskita não se refere a um material específico, como o silício ou o telureto de cádmio, outros concorrentes importantes no campo fotovoltaico, mas a toda uma família de compostos. A família perovskita de materiais solares é nomeada por sua semelhança estrutural com um mineral chamado perovskita, que foi descoberto em 1839 e recebeu o nome do mineralogista russo LA Perovski.
A perovskita mineral original, que é óxido de cálcio e titânio (CaTiO3), tem uma configuração cristalina distinta. Possui uma estrutura tripartida, cujos componentes passaram a ser denominados A, B e X, nos quais se entrelaçam as treliças dos diferentes componentes. A família das perovskitas consiste nas muitas combinações possíveis de elementos ou moléculas que podem ocupar cada um dos três componentes e formar uma estrutura semelhante à da própria perovskita original. (Alguns pesquisadores até dobram um pouco as regras ao nomear outras estruturas cristalinas com elementos semelhantes de "perovskitas", embora isso seja desaprovado pelos cristalógrafos.)
"Você pode misturar e combinar átomos e moléculas na estrutura, com alguns limites. Por exemplo, se você tentar colocar uma molécula muito grande na estrutura, você a distorcerá. Eventualmente, você pode fazer com que o cristal 3D se separe em uma estrutura em camadas 2D, ou perder totalmente a estrutura ordenada", diz Tonio Buonassisi, professor de engenharia mecânica no MIT e diretor do Laboratório de Pesquisa Fotovoltaica. “As perovskitas são altamente ajustáveis, como um tipo de estrutura cristalina do tipo que você constrói sua própria aventura”, diz ele.
Essa estrutura de redes entrelaçadas consiste em íons ou moléculas carregadas, duas delas (A e B) carregadas positivamente e a outra (X) carregada negativamente. Os íons A e B são tipicamente de tamanhos bastante diferentes, sendo o A maior.
Dentro da categoria geral de perovskitas, existem vários tipos, incluindo perovskitas de óxido metálico, que encontraram aplicações em catálise e armazenamento e conversão de energia, como em células de combustível e baterias de metal-ar. Mas o foco principal da atividade de pesquisa por mais de uma década tem sido as perovskitas de haleto de chumbo, de acordo com Buonassisi.
Dentro dessa categoria, ainda existe uma legião de possibilidades, e laboratórios de todo o mundo estão correndo no tedioso trabalho de tentar encontrar as variações que mostram o melhor desempenho em eficiência, custo e durabilidade - o que até agora tem sido o mais desafiador. dos três.
Muitas equipes também focaram em variações que eliminam o uso de chumbo, para evitar seu impacto ambiental. Buonassisi observa, no entanto, que "consistentemente ao longo do tempo, os dispositivos baseados em chumbo continuam a melhorar em seu desempenho e nenhuma das outras composições chegou perto em termos de desempenho eletrônico". O trabalho continua na exploração de alternativas, mas por enquanto nenhuma pode competir com as versões de haleto de chumbo.
Uma das grandes vantagens que as perovskitas oferecem é a grande tolerância a defeitos na estrutura, diz ele. Ao contrário do silício, que requer pureza extremamente alta para funcionar bem em dispositivos eletrônicos, as perovskitas podem funcionar bem mesmo com inúmeras imperfeições e impurezas.
Procurar novas composições candidatas promissoras para perovskitas é um pouco como procurar uma agulha no palheiro, mas recentemente pesquisadores criaram um sistema de aprendizado de máquina que pode agilizar bastante esse processo. Essa nova abordagem pode levar a um desenvolvimento muito mais rápido de novas alternativas, diz Buonassisi, coautor da pesquisa.
Embora as perovskitas continuem a se mostrar muito promissoras e várias empresas já estejam se preparando para iniciar alguma produção comercial, a durabilidade continua sendo o maior obstáculo que enfrentam. Enquanto os painéis solares de silício retêm até 90% de sua produção de energia após 25 anos, as perovskitas se degradam muito mais rapidamente. Grandes progressos foram feitos — as amostras iniciais duravam apenas algumas horas, depois semanas ou meses, mas as formulações mais recentes têm vida útil de até alguns anos, adequadas para algumas aplicações em que a longevidade não é essencial.
Do ponto de vista da pesquisa, diz Buonassisi, uma vantagem das perovskitas é que elas são relativamente fáceis de produzir em laboratório – os constituintes químicos se juntam facilmente. Mas essa também é a desvantagem: "O material se junta com muita facilidade em temperatura ambiente", diz ele, "mas também se desfaz com muita facilidade em temperatura ambiente. Vem fácil, vai fácil!"
Para lidar com essa questão, a maioria dos pesquisadores está focada em usar vários tipos de materiais de proteção para encapsular a perovskita, protegendo-a da exposição ao ar e à umidade. Mas outros estão estudando os mecanismos exatos que levam a essa degradação, na esperança de encontrar formulações ou tratamentos que sejam inerentemente mais robustos. Uma descoberta importante é que um processo chamado autocatálise é o principal responsável pelo colapso.
Na autocatálise, assim que uma parte do material começa a se degradar, seus produtos de reação agem como catalisadores para começar a degradar as partes vizinhas da estrutura, e uma reação descontrolada começa. Um problema semelhante existiu nas primeiras pesquisas sobre alguns outros materiais eletrônicos, como diodos orgânicos emissores de luz (OLEDs), e acabou sendo resolvido adicionando etapas adicionais de purificação às matérias-primas, portanto, uma solução semelhante pode ser encontrada no caso de perovskitas, sugere Buonassisi.
Buonassisi e seus co-pesquisadores concluíram recentemente um estudo mostrando que, uma vez que as perovskitas atingem uma vida útil de pelo menos uma década, graças ao seu custo inicial muito mais baixo, isso seria suficiente para torná-las economicamente viáveis como substitutas do silício em grandes empresas de utilidade pública. fazendas solares em escala.
No geral, o progresso no desenvolvimento de perovskitas tem sido impressionante e encorajador, diz ele. Com apenas alguns anos de trabalho, já alcançou eficiências comparáveis aos níveis que o telureto de cádmio (CdTe), "que existe há muito mais tempo, ainda luta para alcançar", diz ele. "A facilidade com que esses desempenhos superiores são alcançados neste novo material é quase estonteante." Comparando a quantidade de tempo de pesquisa gasto para alcançar uma melhoria de 1 por cento na eficiência, diz ele, o progresso em perovskitas foi algo entre 100 e 1,000 vezes mais rápido do que em CdTe. "Essa é uma das razões pelas quais é tão emocionante", diz ele.
