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As células solares orgânicas têm uma camada fotoativa feita de polímeros e pequenas moléculas. As células são muito finas, podem ser flexíveis e fáceis de fazer. No entanto, a eficiência dessas células ainda está muito abaixo das convencionais à base de silício. Físicos aplicados da Universidade de Groningen já fabricaram uma célula solar orgânica com uma eficiência de mais de 17 por cento, que está na faixa de topo para este tipo de material. Tem a vantagem de usar uma estrutura de dispositivo incomum que é produzida usando uma técnica escalável. O projeto envolve uma camada condutora de óxido de estanho que cresce por deposição de camada atômica. Os cientistas também têm várias ideias para melhorar ainda mais a eficiência e a estabilidade da célula. Os resultados foram descritos na revista Materiais avançados em 31 de março.
Nas células solares orgânicas, polímeros e pequenas moléculas convertem a luz em cargas que são coletadas nos eletrodos. Essas células são feitas como películas finas de diferentes camadas – cada uma com suas próprias propriedades – que são empilhadas em um substrato. O mais importante é a camada fotoativa, que converte a luz em cargas e separa os elétrons dos buracos, e a camada de transporte e bloqueio, que direciona seletivamente os elétrons para o eletrodo.
Estabilidade
“Na maioria das células solares orgânicas, a camada de transporte de elétrons é feita de óxido de zinco, um material altamente transparente e condutor que fica abaixo da camada ativa”, diz David Garcia Romero, aluno de doutorado do grupo de Fotofísica e Optoeletrônica do Zernike Institute for Materiais Avançados na Universidade de Groningen, liderados pela professora Maria Antonietta Loi. Garcia Romero e Lorenzo Di Mario, pesquisador de pós-doutorado do mesmo grupo, trabalharam na ideia de usar o óxido de estanho como camada de transporte. “O óxido de zinco é mais fotorreativo que o óxido de estanho e, portanto, este último deve levar a uma maior estabilidade do aparelho”, explica.
Embora o óxido de estanho tenha mostrado resultados promissores em estudos anteriores, a melhor maneira de transformá-lo em uma camada de transporte adequada para uma célula solar orgânica ainda não havia sido encontrada. “Usamos a deposição de camadas atômicas, uma técnica que há muito não era utilizada no campo da fotovoltaica orgânica”, diz Garcia Romero. No entanto, tem algumas vantagens importantes: ‘Este método pode crescer camadas de qualidade excepcional e é escalável para processos industriais, por exemplo, no processamento rolo a rolo.
Escalável
As células solares orgânicas que foram feitas com óxido de estanho depositado por deposição de camada atômica no topo mostram um desempenho muito bom. ‘Alcançamos uma eficiência campeã de 17,26 por cento’, diz Garcia Romero. O fator de preenchimento, importante parâmetro de qualidade da célula solar, apresentou valores de até 79%, de acordo com os valores recordes para esse tipo de estrutura. Além disso, as características ópticas e estruturais da camada de óxido de estanho podem ser ajustadas variando a temperatura na qual o material é depositado. Uma conversão máxima de energia foi alcançada em células com uma camada de transporte que foi depositada a 140 graus Celsius. Este mesmo resultado foi demonstrado para duas camadas ativas diferentes, significando que o óxido de estanho melhorou a eficiência de forma genérica.
“Nosso objetivo era tornar as células solares orgânicas mais eficientes e usar métodos escaláveis”, diz Garcia Romero. A eficiência está próxima do recorde atual para células solares orgânicas, que fica em torno de 19%. ‘E ainda não otimizamos as outras camadas. Então, precisamos levar nossa estrutura um pouco mais longe.’ Garcia Romero e seu co-autor Lorenzo di Mario também estão ansiosos para tentar fazer células de área maior. Normalmente, eles são menos eficientes, mas são necessários para avançar para aplicativos e painéis do mundo real.
Melhoria
A nova célula solar com um fator de preenchimento impressionantemente alto é um bom ponto de partida para um desenvolvimento futuro. Garcia Romero: ‘Pode ser um pouco cedo para os parceiros industriais assumirem isso; precisamos fazer mais algumas pesquisas primeiro. E esperamos que nosso uso da deposição de camadas atômicas inspire outros no campo.’ ‘Nós sempre nos esforçamos para entender o que está acontecendo em um material e na estrutura de um dispositivo’, acrescenta o professor Loi. ‘Aqui, pensamos que pode haver espaço para melhorias. Nesse processo, nossa camada de transporte de óxido de estanho é um grande passo inicial.’ Esta classe de células solares pode dar uma importante contribuição extra para a transição energética devido às suas propriedades mecânicas e à sua transparência. “Esperamos que eles sejam usados de uma forma totalmente diferente dos painéis de silício”, diz Loi. ‘Precisamos pensar mais amplo e fora da caixa no momento.’
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