A energia solar tem um papel importante a desempenhar na redução das emissões de carbono, mas a produção de células fotovoltaicas de silício – o líder de mercado de longa data – é um processo que consome muita energia. Células feitas de perovskitas oferecem uma alternativa promissora, e avanços recentes levaram sua eficiência para além de 25,5%, pouco abaixo do recorde do silício. Agora, pesquisadores da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara (UCSB) nos EUA relatam que eficiências ainda maiores podem ser possíveis – mas apenas se os cientistas redirecionarem seus esforços para uma classe anteriormente desacreditada de perovskitas baseada exclusivamente em elementos inorgânicos.
Dentro da comunidade de pesquisa da perovskita, a visão arraigada é que todas as células inorgânicas da perovskita são inerentemente inferiores àquelas que incluem um cátion orgânico. O novo estudo de Chris Van de Walle e colegas vira esse pensamento de ponta-cabeça. Enquanto os especialistas há muito supõem que a introdução de uma molécula orgânica torna as células mais eficientes, os cálculos de mecânica quântica de ponta da equipe da UCSB, baseados em supercomputadores, mostram que o oposto é verdadeiro, com a molécula orgânica, de fato, fornecendo um elemento adicional canal para perda de energia.
Perdas de recombinação
Em uma célula solar perfeita, cada fóton incidente geraria um elétron e um buraco, e o par elétron-buraco resultante nunca se recombinaria, permitindo que toda a energia nesses portadores de carga resultasse na geração de energia. Em células reais, entretanto, vários processos de recombinação não radiativa também ocorrem, reduzindo a eficiência.
No novo estudo, membros da equipe (incluindo o pesquisador líder Xie Zhang e o estudante graduado Mark Turiansky, que ajudou a escrever o código) compararam as taxas de recombinação de uma perovskita híbrida comum com as de um irmão prototípico totalmente inorgânico. Ambos os materiais são perovskitas halogenados, com a fórmula química geral ABX3, onde A é um cátion; B é chumbo ou estanho; e X é iodo, bromo ou cloro. Para esta investigação, a equipe comparou o CsPbI3 totalmente inorgânico a uma perovskita comum contendo metilamônio (uma molécula orgânica relativamente simples), chumbo e iodo.
Em todas as células solares de perovskita, os centros dominantes para recombinação não radiativa são os átomos de iodo. Segundo cálculos de Van de Walle e colegas, sua presença cria um mecanismo de perda semelhante nos dois tipos de aparelho.
Crucialmente, porém, a equipe da UCSB descobriu que, embora a presença de metilamônio torne o material mais estável quimicamente, também adiciona uma segunda fonte significativa de perda não radiativa. Essa perda decorre da retirada de um átomo de hidrogênio da molécula orgânica, que pode ocorrer durante a síntese da perovskita híbrida, e também pode ser desencadeada pela incidência de fótons na célula ou pelo fluxo de corrente pelo dispositivo quando ele está em funcionamento. De qualquer forma, sua remoção está associada à introdução de uma recombinação assistida por defeito muito forte. “Isso é muito prejudicial para a eficiência”, diz Van de Walle.
O valor dos cálculos
Van de Walle argumenta que percepções computacionais como essas têm valor considerável, dado o enorme desafio de desvendar mecanismos de perda nesses materiais usando apenas abordagens experimentais. Enquanto a excitação óptica pode revelar a presença de recombinação não radiativa em perovskitas, o processo pode prosseguir através de vários canais, o que significa que a técnica falha em localizar os defeitos específicos por trás das perdas. “Você precisaria fazer medições elétricas, medições ópticas e medições de ressonância magnética que informam sobre a natureza mecânica quântica dos estados do defeito que você está observando”, explica Van de Walle. O tempo e a energia necessários para um estudo tão abrangente não torna surpreendente que a inferioridade potencial das perovskitas híbridas tenha passado despercebida por tanto tempo.
Os cálculos da equipe da UCSB despertaram o interesse de Ted Sargent, um nanotecnologista e especialista em células solares da Universidade de Toronto, Canadá, que não estava envolvido no estudo. “Eles indicam a possibilidade – no futuro – de maior eficiência para células solares de perovskita inorgânica em comparação com suas contrapartes convencionais com bandgap semelhante”, diz ele. Sargent acrescenta que o trabalho teórico da equipe também deve estimular o interesse e o esforço adicionais para o desenvolvimento de células solares de perovskita inorgânica eficientes.
Se isso acontecer, o trabalho de Van de Walle e colegas, que aparece na Cell Reports Physical Science, pode levar a um repensar do setor de perovskita na indústria de células solares. Este setor gerou vendas de US $ 671 milhões em 2020 e tem previsão de crescimento de 33% ao ano, de acordo com o analista de mercado 360 Research Reports.
Publicado em 02/11/2021 15h26
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