O "truque" da deformação melhora a eficiência das células solares de perovskite
A energia solar é uma das soluções mais prometedoras para reduzir a nossa dependência dos combustíveis fósseis. Mas tornar os painéis solares mais eficientes é um desafio constante. As células solares de perovskite (PSC) têm sido um fator de mudança, oferecendo rápidas melhorias na eficiência e potencial para um fabrico de baixo custo. No entanto, continuam a sofrer de perdas de energia e de problemas de estabilidade operacional.
O desafio das perovskitas de banda larga
As células solares de perovskite, em especial as utilizadas em configurações tandem, baseiam-se em materiais de grande abertura (WBG) - semicondutores que absorvem a luz de maior energia ("mais azul") e deixam passar a luz de menor energia (mais vermelha) - para maximizar a eficiência. No entanto, as formulações de perovskite de grande intervalo sofrem frequentemente de segregação de fase, em que diferentes componentes se separam ao longo do tempo, o que provoca uma diminuição do desempenho.
Uma solução é adicionar rubídio (Rb) para estabilizar os materiais WBG, mas há um senão: O Rb tende a formar fases secundárias indesejadas, o que reduz a sua eficácia na estabilização da estrutura de perovskite.
A solução da EPFL: a tensão vem em socorro
Os cientistas liderados por Lukas Pfeifer e Likai Zheng no grupo de Michael Grätzel na EPFL descobriram agora uma forma de forçar o Rb a permanecer onde é necessário. Utilizando a "tensão da rede" da película de perovskite, conseguiram incorporar iões de Rb na estrutura, o que impediu a segregação de fase indesejada. Esta nova abordagem não só estabiliza o material WBG, como também melhora a sua eficiência energética, minimizando a recombinação não radiativa - um dos principais responsáveis pela perda de energia.
Os investigadores utilizaram a tensão da rede - uma distorção controlada na estrutura atómica - para manter o Rb preso na rede da perovskite. Para o efeito, afinaram a composição química e ajustaram com precisão o processo de aquecimento e arrefecimento. O aquecimento rápido seguido de um arrefecimento controlado induziu a deformação, evitando que o Rb formasse fases secundárias indesejadas e assegurando a sua integração na estrutura.
Verificar e afinar a abordagem
Para confirmar e compreender este efeito, a equipa utilizou a difração de raios X para analisar as alterações estruturais, a ressonância magnética nuclear de estado sólido para seguir a localização atómica do Rb e a modelação computacional para simular a forma como os átomos interagem em diferentes condições. Estas técnicas forneceram uma imagem detalhada de como a tensão estabilizou a incorporação de Rb.
Para além da tensão da rede, descobriram também que a introdução de iões de cloreto é fundamental para estabilizar a rede, compensando as diferenças de tamanho entre os elementos incorporados. Isto assegurou uma distribuição mais uniforme dos iões, reduzindo os defeitos e melhorando a estabilidade geral do material.
O resultado? Um material mais uniforme com menos defeitos e uma estrutura eletrónica mais estável. A nova composição de perovskite, reforçada com Rb estabilizado por deformação, atingiu uma tensão de circuito aberto de 1,30 V - uns impressionantes 93,5% do seu limite teórico. Isto representa uma das mais baixas perdas de energia alguma vez registadas em perovskitas WBG. Além disso, o material modificado apresentou um rendimento quântico de fotoluminescência (PLQY) melhorado, indicando que a luz solar estava a ser convertida em eletricidade de forma mais eficiente.
Impacto nas energias renováveis
A redução da perda de energia nas células solares de perovskite poderá conduzir a painéis solares mais eficientes e económicos. Isto é especialmente importante para as células solares em tandem, em que os perovskites são emparelhados com o silício para maximizar a eficiência.
As descobertas também têm implicações para além dos painéis solares - as perovskites estão a ser exploradas para LEDs, sensores e outras aplicações optoelectrónicas. Ao estabilizar as perovskitas WBG, a investigação da EPFL poderá ajudar a acelerar a comercialização destas tecnologias.
Outros contribuintes
- Laboratório de Ressonância Magnética da EPFL
- Plataforma de Difração de Raios X e Análise de Superfícies da EPFL
- Instalação de crescimento de cristais da EPFL
- Laboratório de Química e Bioquímica Computacional da EPFL
- Universidade de Aeronáutica e Astronáutica de Nanjing
- Universidade Nacional de Singapura
- Politécnico de Milão
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
Publicação original
Likai Zheng, Mingyang Wei, Felix T. Eickemeyer, Jing Gao, Bin Huang, Ummugulsum Gunes, Pascal Schouwink, David Wenhua Bi, Virginia Carnevali, Mounir Mensi, Francesco Biasoni, Yuxuan Zhang, Lorenzo Agosta, Vladislav Slama, Nikolaos Lempesis, Michael A. Hope, Shaik M. Zakeeruddin, Lyndon Emsley, Ursula Rothlisberger, Lukas Pfeifer, Yimin Xuan, Michael Grätzel. Strain-induced rubidium incorporation into wide bandgap perovskites reduces photovoltage loss. Science 04 April 2025
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