Fonte:news.northwestern.edu
As descobertas, publicadas hoje (17 de novembro) na revista Science, descrevem uma solução de molécula dupla para superar perdas de eficiência à medida que a luz solar é convertida em energia. Ao incorporar primeiro uma molécula para abordar algo chamado recombinação de superfície, na qual elétrons são perdidos quando ficam presos por defeitos – átomos ausentes na superfície, e uma segunda molécula para interromper a recombinação na interface entre as camadas, a equipe alcançou um Certificado Nacional de Energia Renovável. O Energy Lab (NREL) certificou uma eficiência de 25,1%, enquanto as abordagens anteriores alcançaram eficiências de apenas 24,09%.
"A tecnologia solar da perovskita está avançando rapidamente e a ênfase da pesquisa e desenvolvimento está mudando do absorvedor em massa para as interfaces", disse o professor da Northwestern, Ted Sargent. “Este é o ponto crítico para melhorar ainda mais a eficiência e a estabilidade e nos aproximar desta rota promissora para uma colheita solar cada vez mais eficiente.”
Sargent é co-diretor executivo do Instituto Paula M. Trienens de Sustentabilidade e Energia (antigo ISEN) e pesquisador multidisciplinar em química de materiais e sistemas de energia, com nomeações no departamento de química do Weinberg College of Arts and Sciences e do departamento de engenharia elétrica e de computação da Escola de Engenharia McCormick.
As células solares convencionais são feitas de pastilhas de silício de alta pureza que consomem muita energia para serem produzidas e só podem absorver uma faixa fixa do espectro solar.
Materiais de perovskita cujo tamanho e composição podem ser ajustados para "sintonizar" os comprimentos de onda da luz que absorvem, tornando-os uma tecnologia tandem emergente favorável, potencialmente de baixo custo e de alta eficiência.
Historicamente, as células solares de perovskita têm enfrentado desafios para melhorar a eficiência devido à sua relativa instabilidade. Nos últimos anos, os avanços do laboratório de Sargent e outros trouxeram a eficiência das células solares de perovskita para dentro da mesma faixa que é alcançável com o silício.
Na presente pesquisa, em vez de tentar ajudar a célula a absorver mais luz solar, a equipe se concentrou na questão de manter e reter os elétrons gerados para aumentar a eficiência. Quando a camada de perovskita entra em contato com a camada de transporte de elétrons da célula, os elétrons se movem de um para o outro. Mas o elétron pode voltar para fora e preencher ou “recombinar-se” com lacunas que existem na camada de perovskita.
"A recombinação na interface é complexa", disse o primeiro autor Cheng Liu, um estudante de pós-doutorado no laboratório Sargent, que é co-supervisionado pelos professores de Química Charles E. e Emma H. Morrison Mercouri Kanatzidis. "É muito difícil usar um tipo de molécula para resolver recombinações complexas e reter elétrons, então consideramos que combinação de moléculas poderíamos usar para resolver o problema de forma mais abrangente."
Pesquisas anteriores da equipe de Sargent encontraram evidências de que uma molécula, PDAI2, faz um bom trabalho na resolução de recombinação de interface. Em seguida, eles precisavam encontrar uma molécula que funcionasse para reparar defeitos superficiais e evitar que os elétrons se recombinassem com eles.
Ao encontrar o mecanismo que permitiria ao PDAI2 trabalhar com uma molécula secundária, a equipa concentrou-se no enxofre, que poderia substituir grupos de carbono - normalmente fracos na prevenção do movimento dos electrões - para cobrir átomos em falta e suprimir a recombinação.
"Ao abordar as principais ineficiências encontradas nas células solares de perovskita invertida, que são predominantemente devidas a perdas de recombinação não radiativa, um novo padrão na eficiência das células solares está sendo estabelecido", disse o professor Mercouri Kanatzidis da Northwestern. "Esta é uma excelente ilustração de como o campo da química de materiais avançados pode aumentar significativamente a eficiência de conversão de energia e a longevidade das tecnologias fotovoltaicas emergentes de perovskita."
Kanatzidis é uma autoridade líder na área de química de materiais e soluções de energia sustentável, com nomeações duplas no departamento de química de Weinberg e no departamento de ciência e engenharia de materiais de McCormick.
"Estamos entusiasmados com o fato de nossa estratégia bimolecular mostrar aplicabilidade a uma variedade de composições de perovskita, incluindo aquelas que são promissoras para células solares tandem", disse Bin Chen, professor assistente de pesquisa de química e coautor do artigo.
Um artigo recente do mesmo grupo publicado na Nature desenvolveu um revestimento para o substrato abaixo da camada de perovskita para ajudar a célula a trabalhar a uma temperatura mais elevada por um período mais longo. Esta solução, de acordo com Liu, pode funcionar em conjunto com as descobertas do artigo da Science.
Embora a equipa espere que as suas descobertas encorajem a comunidade científica em geral a continuar a levar o trabalho adiante, eles também trabalharão em acompanhamentos.
“Temos que usar uma estratégia mais flexível para resolver o complexo problema de interface”, disse Cheng. "Não podemos usar apenas um tipo de molécula, como as pessoas faziam anteriormente. Usamos duas moléculas para resolver dois tipos de recombinação, mas temos certeza de que há mais tipos de recombinação relacionada a defeitos na interface. Precisamos tentar usar mais moléculas se unam e garantam que todas as moléculas funcionem juntas sem destruir as funções umas das outras."
