Fonte: oist.jp
Pesquisadores da Universidade de Pós-Graduação do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST) criaram módulos solares de última geração com alta eficiência e boa estabilidade. Fabricados com um tipo de material chamado perovskita, esses módulos solares podem manter um alto desempenho por mais de 2000 horas. Suas descobertas, relatadas em 20 de julho de 2020 na revista Nature Energy, aumentaram as perspectivas de comercialização.
Os perovskitas têm o potencial de revolucionar a indústria de tecnologia solar. Flexíveis e leves, prometem mais versatilidade do que as células pesadas e rígidas à base de silício atualmente dominando o mercado. Mas os cientistas precisam superar alguns obstáculos importantes antes que os perovskitas possam ser comercializados.
"Há três condições que os perovskitas devem atender: eles devem ser baratos para produzir, altamente eficientes e ter uma vida útil longa", disse o professor Yabing Qi, chefe do OIST.Unidade de Materiais Energéticos e Ciências da Superfície, que lideraram este estudo.
Uma demonstração de uma célula solar perovskita
O custo de produção de células solares de perovskita é baixo, pois as matérias-primas baratas exigem pouca energia para serem processadas. E em pouco mais de uma década, os cientistas fizeram grandes progressos para melhorar a eficiência com que as células solares de perovskita convertem a luz solar em eletricidade, com níveis de eficiência agora comparáveis aos das células à base de silício.
No entanto, uma vez escalados de pequenas células solares para módulos solares maiores, os níveis de eficiência dos perovskitas despencam. Isso é problemático, pois a tecnologia solar comercial precisa permanecer eficiente no tamanho de painéis solares, com vários metros de comprimento.
“A expansão é muito exigente; qualquer defeito no material torna-se mais pronunciado, portanto você precisa de materiais de alta qualidade e melhores técnicas de fabricação ”, explicou o Dr. Luis Ono, co-autor deste estudo.
(Esquerda) A Unidade de Materiais Energéticos e Ciências da Superfície do OIST trabalha com células solares e módulos de tamanhos variados. (Direita) Neste estudo, os cientistas trabalharam com módulos solares de 5 cm x 5 cm.
A instabilidade dos perovskitas é outra questão importante sob intensa investigação. As células solares comerciais precisam suportar anos de operação, mas atualmente as células solares de perovskita se degradam rapidamente.
Construindo as camadas
A equipe do professor Qi, apoiada pelo Programa de Prova de Conceito do Centro de Desenvolvimento e Inovação em Tecnologia OIST, abordou esses problemas de estabilidade e eficiência usando uma nova abordagem. Os dispositivos solares de perovskita são compostos de várias camadas - cada uma com uma função específica. Em vez de focar apenas em uma camada, eles analisaram o desempenho geral do dispositivo e como as camadas interagem umas com as outras.
A camada de perovskita ativa, que absorve a luz solar, fica no centro do dispositivo, imprensada entre as outras camadas. Quando os fótons de luz atingem a camada de perovskita, os elétrons com carga negativa aproveitam essa energia e "pulam" para um nível de energia mais alto, deixando para trás "buracos" com carga positiva onde costumavam estar os elétrons. Essas cargas são então desviadas em direções opostas para as camadas de transporte de elétrons e orifícios acima e abaixo da camada ativa. Isso cria um fluxo de carga - ou eletricidade - que pode deixar o dispositivo solar via eletrodos. O dispositivo também é encapsulado por uma camada protetora que reduz a degradação e evita que produtos químicos tóxicos vazem para o meio ambiente.
As células e módulos solares de perovskita consistem em várias camadas, cada uma das quais com uma função específica. Os cientistas adicionaram ou modificaram as camadas destacadas em laranja.
No estudo, os cientistas trabalharam com módulos solares de 22,4 cm2.
Os cientistas melhoraram primeiro a interface entre a camada ativa de perovskita e a camada de transporte de elétrons, adicionando um produto químico chamado EDTAK entre as duas camadas. Eles descobriram que o EDTAK impedia a camada de transporte de elétrons de óxido de estanho de reagir com a camada ativa de perovskita, aumentando a estabilidade do módulo solar.
O EDTAK também melhorou a eficiência do módulo solar de perovskita de duas maneiras diferentes. Primeiro, o potássio no EDTAK passou para a camada ativa de perovskita e "curou" pequenos defeitos na superfície da perovskita. Isso impediu que esses defeitos prendessem os elétrons e os buracos em movimento, permitindo que mais eletricidade fosse gerada. O EDTAK também aumentou o desempenho, aprimorando as propriedades condutoras da camada de transporte de elétrons de óxido de estanho, facilitando a coleta de elétrons da camada de perovskita.
Os cientistas fizeram melhorias semelhantes à interface entre a camada ativa de perovskita e a camada de transporte de furos. Dessa vez, eles adicionaram um tipo de perovskita chamado EAMA entre as camadas, o que aumentou a capacidade da camada de transporte de orifícios receber orifícios.
O dispositivo tratado com EAMA também mostrou melhor estabilidade sob testes de umidade e temperatura. Isso ocorreu devido à maneira como o EAMA interagiu com a superfície da camada ativa da perovskita, que é um mosaico de grãos de cristal. Em dispositivos solares sem EAMA, os cientistas viram que se formavam rachaduras na superfície da camada ativa, que se originavam dos limites entre esses grãos. Quando os cientistas adicionaram o EAMA, eles observaram que o material adicional de perovskita preencheu os limites dos grãos e impediu a entrada de umidade, impedindo a formação dessas rachaduras.
A equipe também modificou a própria camada de transporte de furos, misturando uma pequena quantidade de polímero chamado PH3T. Esse polímero aumentou a resistência à umidade, fornecendo à camada propriedades repelentes à água.
O polímero também resolveu um problema importante que anteriormente dificultava melhorias na estabilidade a longo prazo. O eletrodo no topo do módulo solar de perovskita é formado a partir de finas tiras de ouro. Porém, com o tempo, pequenas partículas de ouro migram do eletrodo, através da camada de transporte do orifício e entram na camada de perovskita ativa. Isso prejudica irreversivelmente o desempenho do dispositivo.
Quando os pesquisadores incorporaram o PH3T, eles descobriram que as partículas de ouro migraram para o dispositivo mais lentamente, o que aumentou significativamente a vida útil do módulo.
Para sua melhoria final, os cientistas adicionaram uma fina camada de polímero, parileno, além de vidro, para fornecer um revestimento protetor ao módulo solar. Com essa proteção adicional, os módulos solares mantiveram cerca de 86% de seu desempenho inicial, mesmo após 2000 horas de iluminação constante.
Em colaboração com o Dr. Said Kazaoui, do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia Industrial Avançada (AIST), a equipe do OIST testou os módulos solares aprimorados e obteve uma eficiência de 16,6% - uma eficiência muito alta para um módulo solar desse tamanho. Os pesquisadores agora pretendem realizar essas modificações em módulos solares maiores, abrindo caminho para o desenvolvimento de tecnologia solar comercial em larga escala no futuro.
