Cientistas da Northwestern College desenvolveram um novo revestimento protetor que prolonga significativamente a vida útil das células solares de perovskita, tornando-as mais práticas para aplicações fora do laboratório.
Embora as células solares de perovskita sejam mais eficientes e menos dispendiosas do que as células solares de silício tradicionais, a perovskita tem sido, até agora, limitada pela sua falta de estabilidade a longo prazo. Normalmente, as células solares de perovskita usam uma camada de revestimento à base de amônio para aumentar a eficiência. Embora eficazes, as camadas à base de amônio degradam-se sob estresse ambiental, como calor e umidade.
Os pesquisadores da Northwestern desenvolveram agora uma camada mais robusta – baseada em amidínio.
Em experimentos, o novo revestimento foi 10 vezes mais resistente à decomposição em comparação com os revestimentos convencionais à base de amônio. Melhor ainda: as células revestidas com amidínio também triplicaram o T da célula90 vida útil – o tempo que leva para a eficiência de uma célula cair 90% de seu valor inicial quando exposta a condições adversas.
A pesquisa será publicada na sexta-feira (22 de novembro) na revista Ciência.
“A área vem trabalhando na estabilidade das células solares de perovskita há muito tempo”, disse Bin Chen, da Northwestern, que co-liderou o estudo. “Até agora, a maioria dos relatórios concentra-se em melhorar a estabilidade do próprio materials perovskita, ignorando as camadas protetoras. Ao melhorar a camada protetora, conseguimos melhorar o desempenho geral das células solares.”
“Este trabalho aborda uma das barreiras críticas à adoção generalizada de células solares de perovskita – estabilidade em condições do mundo actual”, disse Mercouri Kanatzidis da Northwestern, que co-liderou o estudo. “Ao reforçar quimicamente as camadas protetoras, aumentamos significativamente a durabilidade dessas células sem comprometer sua eficiência excepcional, aproximando-nos de uma alternativa prática e de baixo custo à energia fotovoltaica à base de silício.”
Chen é professor associado pesquisador de química no Weinberg Faculty of Arts and Sciences da Northwestern. Ele co-liderou o estudo com Ted Sargent, Lynn Hopton Davis e Greg Davis Professor de Química em Weinberg e professor de engenharia elétrica e de computação na McCormick Faculty of Engineering, e Kanatzidis, Charles E. e Emma H. Morrison Professor de Química em Weinberg. Yi Yang, um pós-doutorado co-orientado por Sargent e Kanatzidis, é o primeiro autor do artigo.
Perovskita como alternativa ao silício
Em uso há décadas, o silício é o materials mais comumente usado para a camada de absorção de luz nas células solares. Embora o silício seja durável e confiável, sua produção é cara e está se aproximando do limite de eficiência. Em busca de uma célula photo voltaic de menor custo e maior eficiência, os pesquisadores começaram recentemente a explorar as perovskitas, uma família de compostos cristalinos.
Embora se mostre promissora como alternativa econômica ao silício, a perovskita tem uma vida útil relativamente curta. A exposição prolongada à luz photo voltaic, flutuações extremas de temperatura, umidade e umidade fazem com que as células solares de perovskita se degradem com o tempo.
Para superar esse desafio, os pesquisadores adicionaram ligantes de amidínio, moléculas estáveis que podem interagir com a perovskita para fornecer passivação de defeitos duradoura e efeitos protetores. As moléculas à base de amônio têm um átomo de nitrogênio rodeado por três átomos de hidrogênio e um grupo contendo carbono, enquanto as moléculas à base de amidínio compreendem um átomo de carbono central ligado a dois grupos amino. Como a sua estrutura permite que os eletrões se espalhem uniformemente, as moléculas de amidínio são mais resistentes sob condições adversas.
“As células solares de perovskita de última geração normalmente têm ligantes de amônio como camada de passivação”, disse Yang. “Mas o amônio tende a se decompor sob estresse térmico. Fizemos alguma química para converter o amônio instável em um amidínio mais estável.”
Os pesquisadores realizaram essa conversão por meio de um processo conhecido como amidinação, em que o grupo amônio é substituído por um grupo amidínio mais estável. Esta inovação evitou que as células da perovskita se desintegrassem ao longo do tempo – especialmente quando expostas a calor extremo.
Resultados recordes
A célula photo voltaic resultante alcançou uma eficiência impressionante de 26,3%, o que significa que converteu com sucesso 26,3% da luz photo voltaic absorvida em eletricidade. A célula photo voltaic revestida também manteve 90% da sua eficiência inicial após 1.100 horas de testes sob condições adversas, demonstrando um T90 vida útil três vezes maior do que antes quando exposto ao calor e à luz.
Esses experimentos marcam o exemplo mais recente de desempenho aprimorado de células solares de perovskita do laboratório Sargent. Em 2022, a equipe de Sargent desenvolveu uma célula photo voltaic de perovskita que quebrou recordes de eficiência energética e tensão. Em 2023, sua equipe introduziu uma célula photo voltaic de perovskita com estrutura invertida, o que também melhorou sua eficiência energética. E no início deste ano, o grupo de Sargent incorporou cristais líquidos para minimizar os defeitos nos filmes de perovskita, levando a um melhor desempenho do dispositivo.
“As células solares baseadas em perovskita têm potencial para contribuir para a descarbonização do fornecimento de eletricidade assim que finalizarmos seu projeto, alcançarmos a união de desempenho e durabilidade e dimensionarmos os dispositivos”, disse Sargent, que dirige o Instituto Paula M. Trienens de Sustentabilidade e Energia. “A principal barreira à comercialização de células solares de perovskita é a sua estabilidade a longo prazo. Mas devido à sua vantagem de várias décadas, o silício ainda tem uma vantagem em algumas áreas, incluindo a estabilidade. Estamos trabalhando para preencher essa lacuna.”
Esta pesquisa está diretamente ligada ao pilar Gerar – um dos Seis Pilares de Descarbonização do Instituto Trienens. Como parte do pilar Gerar, a Northwestern se compromete a construir uma nova classe de produção de energia photo voltaic, concentrando-se em células solares multijunções de alta eficiência e em materiais de células solares de próxima geração. Kanatzidis é copresidente do corpo docente do pilar e Chen é o líder de implementação.
