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A energia solar não é apenas a tecnologia energética que mais cresce na história recente, mas também uma das fontes de energia mais baratas e com maior impacto em termos de redução das emissões de gases com efeito de estufa.
Um estudo da Rice University apresentado na capa da edição de hoje da Ciência descreve uma maneira de sintetizar iodeto de chumbo formamidínio (FAPbI3) – o tipo de cristal usado atualmente para transformar as células solares de perovskita de maior eficiência – em filmes fotovoltaicos ultraestáveis e de alta qualidade. A eficiência global do FAPbI resultante3 as células solares diminuíram menos de 3% ao longo de mais de 1.000 horas de operação a temperaturas de 85 graus Celsius (185 Fahrenheit).
“Neste momento, pensamos que isto é o que há de mais moderno em termos de estabilidade”, disse Aditya Mohite, engenheira da Rice, cujo laboratório conseguiu melhorias progressivas na durabilidade e desempenho das perovskitas nos últimos anos. “As células solares de perovskita têm o potencial de revolucionar a produção de energia, mas alcançar a estabilidade de longa duração tem sido um desafio significativo.”
Com este avanço mais recente, Mohite e colaboradores alcançaram um marco crítico para tornar a energia fotovoltaica de perovskita pronta para o mercado. A chave foi “temperar” o FAPbI3 solução precursora com uma pitada de perovskitas bidimensionais (2D) especialmente projetadas. Eles serviram como modelo para orientar o crescimento da perovskita em massa/3D, proporcionando compressão e estabilidade adicionais à estrutura da rede cristalina.
“Os cristais de perovskita são quebrados de duas maneiras: quimicamente – destruindo as moléculas que compõem o cristal – e estruturalmente – reordenando as moléculas para formar um cristal diferente”, disse Isaac Metcalf, estudante de pós-graduação em ciência de materiais e nanoengenharia da Rice e pesquisador. autor principal do estudo. “Dos vários cristais que usamos nas células solares, os mais estáveis quimicamente são também os menos estáveis estruturalmente e vice-versa.3 está no extremo estruturalmente instável desse espectro.”
Embora mais estável que o FAPbI3 tanto química quanto estruturalmente, as perovskitas 2D normalmente não são boas na coleta de luz, o que as torna uma má escolha de material para células solares. No entanto, os pesquisadores levantaram a hipótese de que perovskitas 2D fossem usadas como modelos para o cultivo de FAPbI3 os filmes podem conferir sua estabilidade a estes últimos. Para testar esta ideia, eles desenvolveram quatro tipos diferentes de perovskitas 2D – duas com uma estrutura de superfície quase indistinguível da da FAPbI3 e dois menos combinados – e os usei para fazer diferentes FAPbI3 formulações cinematográficas.
“A adição de cristais 2D bem combinados tornou mais fácil para o FAPbI3 a formação de cristais, enquanto cristais 2D mal combinados dificultaram a formação, validando nossa hipótese, “Metcalf disse.”FAPbI3 os filmes modelados com cristais 2D eram de maior qualidade, mostrando menos desordem interna e exibindo uma resposta mais forte à iluminação, o que se traduzia em maior eficiência.”
Os modelos de cristal 2D melhoraram não apenas a eficiência do FAPbI3 células solares, mas também a sua durabilidade. Enquanto as células solares sem quaisquer cristais 2D se degradaram significativamente após dois dias de geração de eletricidade a partir da luz solar no ar, as células solares com modelos 2D não começaram a degradar-se mesmo após 20 dias. Ao adicionar uma camada de encapsulamento às células solares modeladas em 2D, a estabilidade foi melhorada ainda mais para escalas de tempo que se aproximam da relevância comercial.
Estas descobertas poderão ter um impacto transformador nas tecnologias de recolha de luz, ou fotovoltaicas, reduzindo ainda mais os custos de produção e permitindo a construção de painéis solares com uma estrutura simplificada, mais leves e mais flexíveis do que os seus homólogos à base de silício.
“As perovskitas são solúveis em solução, então você pode pegar uma tinta de um precursor da perovskita e espalhá-la sobre um pedaço de vidro, depois aquecê-la e você terá a camada absorvente para uma célula solar”, disse Metcalf. “Como você não precisa de temperaturas muito altas – os filmes de perovskita podem ser processados em temperaturas abaixo de 150 Celsius (302 Fahrenheit) – em teoria, isso também significa que os painéis solares de perovskita podem ser feitos em plástico ou mesmo em substratos flexíveis, o que poderia reduzir ainda mais custos.”
Embora seja o semicondutor mais utilizado em células fotovoltaicas, o silício envolve processos de fabricação que consomem mais recursos do que as alternativas emergentes. Entre estas, as perovskitas haleto se destacam pelas suas crescentes eficiências, que passaram de 3,9% em 2009 para mais de 26% atualmente.
“Deveria ser muito mais barato e consumir menos energia fabricar painéis solares de perovskita de alta qualidade em comparação com painéis de silício de alta qualidade, porque o processamento é muito mais fácil”, disse Metcalf.
“Precisamos urgentemente de fazer a transição do nosso sistema energético global para uma alternativa livre de emissões”, acrescentou, apontando para as estimativas do Painel Intergovernamental sobre Alterações Climáticas das Nações Unidas que “apresentam um forte argumento para a energia solar como alternativa aos combustíveis fósseis”.
Mohite sublinhou que os avanços nas tecnologias e infraestruturas de energia solar são fundamentais para atingir a meta de emissões de gases com efeito de estufa para 2030 e evitar um aumento de 1,5 graus Celsius nas temperaturas globais, o que “nos colocaria no caminho certo para alcançar zero emissões líquidas de carbono até 2050”. “
“Se a eletricidade solar não acontecer, nenhum dos outros processos que dependem dos elétrons verdes da rede, como os processos termoquímicos ou eletroquímicos para a fabricação de produtos químicos, acontecerá”, disse Mohite. “A energia fotovoltaica é absolutamente crítica.”
Mohite é professor curador William M. Rice da Rice, professor de engenharia química e biomolecular e diretor docente da Rice Engineering Initiative for Energy Transition and Sustainability. Além de Metcalf, Siraj Sidhik, ex-aluno de doutorado da Rice, é o principal autor do estudo.
“Gostaria de dar muito crédito a Siraj, que iniciou este projeto com base numa ideia teórica do professor Jacky Even, da Universidade de Rennes”, disse Mohite. “Gostaria também de agradecer aos nossos colaboradores nos laboratórios nacionais e em diversas universidades nos EUA e no exterior, cuja ajuda foi fundamental para este trabalho.”
Coautores adicionais incluem pesquisadores de diversas instituições nos EUA e no exterior, incluindo o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley; Universidade da Califórnia, San Diego; Universidade de Lille, Centro Nacional de Investigação Científica (CNRS), Centrale Lille Institut; Universidade de Artois; Universidade do Noroeste; Universidade de Purdue; Universidade de Rennes, INSA Rennes, CNRS, Instituto FOTON; Laboratório Nacional de Brookhaven; Universidade de Washington; e Universidade do Noroeste.
A pesquisa foi apoiada pelo Departamento de Energia dos EUA, pela Fundação Hertz, pela National Science Foundation, pelo Laboratório de Pesquisa da Força Aérea, pelo Escritório de Pesquisa Naval, pelo Escritório de Pesquisa do Exército, pelo Conselho de Bolsas da China (202107990007), pelo Institut Universitaire de France e a Fundação Alemã para a Ciência. O conteúdo deste comunicado de imprensa é da exclusiva responsabilidade dos autores e não representa necessariamente a opinião oficial dos financiadores.
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