Cultivo de cristais deixa perovskita com eficiência energética perto dos 100%

Cientistas da Universidade Rice, nos EUA, criaram um novo método para cultivar cristais de perovskita 2D. As “sementes” microscópicas são altamente eficientes na absorção da eletricidade produzida por meio da luz solar e também mais uniformes e homogêneas do que tentativas anteriores para produzir um material estável.

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Nos testes feitos em laboratório, a equipe conseguiu cultivar filmes extremamente finos dispostos em camadas regulares e espessas. Esse material fotovoltaico mostrou-se mais eficiente e confiável, duas características difíceis de serem alcançadas com as técnicas atuais de produção de painéis de perovskita.

"Nós desenvolvemos um método em que é possível ajustar as propriedades dos filmes macroscópicos conforme a solução utilizada. Com isso, conseguimos uma eficiência energética de 17% para um dispositivo 2D e isso foi sem qualquer otimização”, explica o professor de engenharia química e biomolecular Aditya Mohite, coautor do estudo.

Eficiência

A perovskita é um mineral de óxido de cálcio e titânio descoberto nos Montes Urais da Rússia por Gustav Rose, em 1839. Os painéis solares feitos com esse material têm propriedades fotovoltaicas muito superiores às encontradas nas células de silício convencionais.

Com esse novo estudo, as películas fotovoltaicas cultivadas são capazes de preservar mais de 97% de sua eficiência de pico, mesmo depois de 800 horas sob a luz do Sol sem qualquer gerenciamento térmico. Em pesquisas anteriores, os filmes de perovskita de haleto 3D mantinham uma alta eficiência energética, mas degradavam rapidamente.

Já as perovskitas bidimensionais possuem formas planas, atomicamente finas e são mais estáveis do que os compostos 3D, mais grossos e resistentes à umidade. Esse processo de crescimento semeado já foi reproduzido com cristais inorgânicos, mas esta é a primeira vez que os cientistas conseguem fazer isso com perovskitas 2D orgânicas.

"A ideia de que um tipo de semente genética pode ditar as propriedades dos elementos é um conceito poderoso na ciência dos materiais. Muitos modelos funcionam assim. Se você deseja cultivar um único cristal de diamante ou silício, por exemplo, precisa da semente de um único cristal que possa servir como modelo", completa o professor Mohite.

Cultivo

No método tradicional de cultivo de perovskita 2D os precursores químicos são medidos e acrescentados como ingredientes de um bolo em uma receita. A solução resultante é espalhada em uma superfície plana e, à medida que é dissolvida, os elementos se cristalizam e formam uma fina película. O problema é que esse processo gera camadas desiguais em escala nanométrica, com espessuras variadas.

“Com isso você acaba obtendo algo que é completamente polidisperso e, quando o tamanho muda, a paisagem energética também se altera. Isso significa ineficiência para um dispositivo fotovoltaico, porque você perde energia quando as cargas encontram uma barreira antes de chegar a um contato elétrico", explica Mohite.

Com a nova técnica de crescimento semeado, o cristal 2D que se desenvolve lentamente de maneira uniforme é transformado em pó e diluído em solventes, sem passar por precursores individuais. Com a mesma proporção de ingredientes, essa solução semeada produz filmes mais homogêneos e uniformes

Eureka!

Usando uma ferramenta de espalhamento dinâmico de luz, os pesquisadores conseguiram observar que as soluções atingiam um estado de equilíbrio sob certas condições, deixando que uma parte dessas sementes não fosse dissolvida. Isso revelou que esses pedaços de semente retinham as características do cristal de origem.

Com essa descoberta, os cientistas descobriram que seria possível rastrear o processo de nucleação da perovskita, permitindo que as sementes produzissem filmes mais finos, homogêneos e estáveis. Isso garante a fabricação futura de painéis fotovoltaicos com alto aproveitamento energético e degradação bastante reduzida.

"Ainda não fizemos experimentos em outros sistemas, mas o sucesso com as perovskitas levanta a questão de que se essa abordagem semeada funcionou agora, também poderá dar certo com outros materiais da tabela periódica que possuem as mesmas características", encerra Mohite.

Fonte: Rice University