Células solares de perovskita: a chave para a estabilidade a longo prazo

As células solares de perovskita são baratas de produzir e altamente eficientes. Entretanto, quando usados ​​ao ar livre, sob condições climáticas reais, ainda é questionável por quanto tempo eles permanecerão estáveis. Este tópico está sendo abordado agora por uma colaboração internacional liderada pelo Prof. Antonio Abate na revista Nature Reviews Materials. Os pesquisadores investigaram os efeitos de ciclos térmicos repetidos nas microestruturas e interações entre as diferentes camadas de células solares de perovskita. Conclusão: O fator decisivo para a degradação de perovskitas de haletos metálicos é o estresse térmico. Isso pode ser usado para derivar estratégias para aumentar especificamente a estabilidade de longo prazo das células solares de perovskita.

Perovskitas são uma classe de materiais com propriedades semicondutoras ideais para conversão de energia em uma célula solar: as melhores delas, as perovskitas de haleto metálico, já apresentam eficiências de até 27%. A produção dessas células solares de película fina requer muito pouco material e energia, de modo que a energia solar pode se tornar significativamente mais barata. Entretanto, quando usados ​​ao ar livre, os módulos solares devem fornecer um rendimento quase estável por pelo menos 20 a 30 anos. E ainda há muito espaço para melhorias nos materiais de perovskita.

Uma colaboração internacional de pesquisa liderada pelo Prof. Antonio Abate publicou agora os resultados de vários anos de trabalho em um artigo de revisão no renomado periódico Nature Reviews Materials . Junto com uma equipe liderada pelo Prof. Meng Li, da Universidade de Henan, China, e outros parceiros na Itália, Espanha, Grã-Bretanha, Suíça e Alemanha, eles mostram que as tensões térmicas são o fator decisivo para a degradação de perovskitas de haletos metálicos.

“Embora o encapsulamento possa proteger efetivamente as células da umidade e do oxigênio atmosférico, quando usadas ao ar livre, elas ainda ficam expostas a grandes flutuações de temperatura, dia e noite, e ao longo das estações”, diz Abate. Dependendo das condições geográficas, as temperaturas dentro das células solares podem variar entre menos 40 graus Celsius e mais 100 graus Celsius (por exemplo, no deserto).

Para simular isso, as células solares de perovskita no estudo foram expostas a diferenças de temperatura ainda mais extremas: de menos 150 graus Celsius a mais 150 graus Celsius, repetidamente. Dra. Guixiang Li (então pós-doutorado no HZB, agora professor na Southeast University, China) investigou como a microestrutura dentro da camada de perovskita mudou durante os ciclos e até que ponto as interações com as camadas vizinhas também mudaram ao longo dos ciclos de temperatura.

Isso também reduziu o desempenho da célula. Em particular, as grandes flutuações de temperatura causaram tensões térmicas, tanto dentro da película fina de perovskita quanto entre as diferentes camadas adjacentes: “Em uma célula solar de perovskita, camadas feitas de materiais muito diferentes devem estar em contato perfeito; Infelizmente, esses materiais geralmente têm comportamento térmico muito diferente”, explica Abate. Por exemplo, os plásticos tendem a encolher quando aquecidos, enquanto os materiais inorgânicos tendem a expandir. Como resultado, o contato entre as camadas piora a cada ciclo. Além disso, a equipe também investigou transições de fase locais e a difusão de elementos em camadas vizinhas.

A partir disso, os pesquisadores derivaram uma estratégia para aumentar a estabilidade a longo prazo das células solares de perovskita. “O estresse térmico é a chave”, diz Abate. O objetivo principal é tornar as estruturas de perovskita e as camadas adjacentes mais estáveis ​​contra o estresse térmico, por exemplo, aumentando a qualidade cristalina, mas também usando camadas tampão adequadas. Para determinar a estabilidade durante mudanças de temperatura de forma uniforme e correta, são necessários protocolos de teste padronizados.