Pesquisadores de energia solar da Universidade Estadual do Oregon estão lançando seu foco científico em materiais com uma estrutura de cristal descoberta quase dois séculos atrás.
Nem todos os materiais com a estrutura, conhecidos como perovskitas, são semicondutores. Mas as perovskitas baseadas em metal e halogênio são, e elas têm um tremendo potencial como células fotovoltaicas que podem ser muito mais baratas de fabricar do que as células à base de silício que possuíam o mercado desde a sua criação na década de 1950.
Dizem os pesquisadores que existe potencial suficiente para um dia escavar significativamente a parcela de combustíveis fósseis no setor de energia.
John Labram, da Faculdade de Engenharia da OSU, é o autor correspondente em dois artigos recentes sobre estabilidade da perovskita, em Communications Physics e no Journal of Physical Chemistry Letters, e também contribuiu para um artigo publicado hoje na Science.
O estudo na Science, liderado por pesquisadores da Universidade de Oxford, revelou que um aditivo molecular – um sal baseado no composto orgânico piperidina – melhora muito a longevidade das células solares de perovskita.
As descobertas descritas nos três artigos aprofundam o entendimento de um semicondutor promissor que deriva de uma descoberta de um mineralogista russo, há muito tempo. Nas montanhas do Ural, em 1839, Gustav Rose encontrou um óxido de cálcio e titânio com uma estrutura cristalina intrigante e o nomeou em homenagem ao nobre russo Lev Perovski.
A perovskita agora se refere a uma variedade de materiais que compartilham a estrutura cristalina do original. O interesse neles começou a acelerar em 2009, depois que um cientista japonês, Tsutomu Miyasaka, descobriu que alguns perovskitas são absorvedores eficazes da luz.
“Devido ao seu baixo custo, as células solares de perovskita têm o potencial de reduzir os combustíveis fósseis e revolucionar o mercado de energia”, disse Labram. “Um aspecto pouco compreendido dessa nova classe de materiais, no entanto, é a estabilidade sob iluminação constante, uma questão que representa uma barreira à comercialização”.
Nos últimos dois anos, o grupo de pesquisa da Labram na Escola de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação construiu aparelhos experimentais exclusivos para estudar mudanças na condutância de materiais solares ao longo do tempo.
“Em parceria com a Universidade de Oxford, demonstramos que a instabilidade induzida pela luz ocorre por muitas horas, mesmo na ausência de contato elétrico”, disse ele. “As descobertas ajudam a esclarecer resultados semelhantes observados em células solares e são a chave para melhorar a estabilidade e a viabilidade comercial das células solares de perovskita”.
A eficiência da célula solar é definida pela porcentagem de energia da luz solar que atinge uma célula que é convertida em energia elétrica utilizável.
Há sete décadas, a Bell Labs desenvolveu a primeira célula solar prática. Ele possuía uma eficiência modesta, de acordo com os padrões atuais, de 6% e era caro de fabricar, mas encontrou um nicho para impulsionar os satélites lançados durante os dias da corrida espacial.
Com o tempo, os custos de fabricação diminuíram e a eficiência aumentou, mesmo que a maioria das células não tenha mudado muito – elas ainda consistem em duas camadas de silício quase puro dopado com um aditivo. Absorvendo a luz, eles usam a energia dela para criar uma corrente elétrica através da junção entre eles.
Em 2012, um dos colaboradores do Labram, Henry Snaith, de Oxford, descobriu que os perovskitas poderiam ser usados como o principal componente das células solares, e não apenas como um sensibilizador. Isso levou a uma tempestade de atividades de pesquisa e milhares de artigos científicos sendo publicados a cada ano sobre o assunto. Oito anos de pesquisa depois, as células de perovskita agora podem operar com 25% de eficiência – tornando-as, pelo menos no laboratório, equiparadas às células de silício comerciais.
As células de perovskita podem ser fabricadas de forma barata a partir de produtos químicos e metais industriais geralmente disponíveis e podem ser impressas em filmes flexíveis de plástico e produzidos em massa. As células de silício, por outro lado, são rígidas e fabricadas com bolachas finas de silício quase puro em um processo caro e de alta temperatura.
Um problema com as perovskitas é a tendência a serem um pouco instáveis quando as temperaturas aumentam, e outro é uma vulnerabilidade à umidade – uma combinação que pode fazer as células se decomporem. Esse é um problema para um produto que precisa durar duas ou três décadas ao ar livre.
“Em geral, ser capaz de vender um painel solar nos EUA e na Europa exige uma garantia de 25 anos”, disse Labram. “O que isso significa, na realidade, é que a célula solar deve mostrar nada menos que 80% de seu desempenho original após 25 anos. A tecnologia atual, silício, é muito boa para isso. Mas o silício precisa ser produzido de forma cara em temperaturas superiores a 2.000″. graus Celsius sob condições controladas, para formar cristais perfeitos e sem defeitos, para que funcionem corretamente. ”
Os perovskitas, por outro lado, são altamente tolerantes a defeitos, disse Labram.
“Eles podem ser dissolvidos em um solvente e depois impressos à temperatura ambiente”, disse ele. “Isso significa que eles podem eventualmente ser produzidos por uma fração do custo do silício e, portanto, reduzir os combustíveis fósseis. No entanto, para que isso aconteça, eles precisam ser certificados com uma garantia de 25 anos. Isso exige que entendamos e melhoremos o estabilidade desses materiais “.
Um caminho para o mercado é uma célula em tandem feita de silício e perovskitas que pode transformar mais o espectro da luz solar em energia. Testes de laboratório em células tandem produziram eficiências de 28%, e eficiências em meados dos anos 30 parecem realistas, disse Labram.
“As células tandem podem permitir que os produtores de painéis solares ofereçam um desempenho além de qualquer coisa que o silício possa alcançar”, disse ele. “A abordagem dupla pode ajudar a remover a barreira para a entrada de perovskitas no mercado, no caminho para que perovskitas acabem agindo como células independentes”.
Filmes semi-transparentes de perovskita também podem um dia ser usados em janelas ou em estufas, convertendo parte da luz solar que entra em eletricidade e deixando o resto passar.
“Quando se trata de geração de energia, o custo é o fator mais importante”, afirmou Labram. “O silício e os perovskitas agora mostram aproximadamente a mesma eficiência. No entanto, a longo prazo, as células solares de perovskita têm o potencial de serem produzidas a uma fração do custo das células solares de silício. E enquanto a história nos mostra que a ação política sobre as mudanças climáticas é altamente ineficaz, se você pode gerar eletricidade a partir de fontes renováveis a um custo menor do que os combustíveis fósseis, tudo o que você precisa fazer é fabricar o produto, então o mercado cuidará do resto. ”
Publicado em 03/07/2020 18h07
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