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Os pesquisadores descobriram que a canalização de íons em caminhos definidos em materiais de perovskita melhora a estabilidade e o desempenho operacional das células solares de perovskita. A descoberta abre caminho para uma nova geração de tecnologias de células solares mais leves, flexíveis e eficientes, adequadas para uso prático.
Os materiais de perovskita, que são definidos por sua estrutura cristalina, absorvem melhor a luz do que o silício. Isso significa que as células solares de perovskita podem ser mais finas e mais leves que as células solares de silício sem sacrificar a capacidade da célula de converter luz em eletricidade.
“Isso abre a porta para uma série de novas tecnologias, como células solares leves e flexíveis ou células solares em camadas (conhecidas como tandems) que podem ser muito mais eficientes do que a tecnologia de coleta solar usada hoje nas chamadas fazendas solares”, disse. diz Aram Amassian, autor correspondente de um artigo sobre a descoberta. “Há interesse em integrar materiais de perovskita em tecnologias de células solares de silício, o que melhoraria sua eficiência de 25% para 40%, ao mesmo tempo em que faz uso da infraestrutura existente”. Amassian é professor de ciência e engenharia de materiais na North Carolina State University.
No entanto, trabalhar com materiais de perovskita representa um desafio, porque – até o momento – não foi possível sustentar a estabilidade operacional de longo prazo em células solares de perovskita. As perovskitas são materiais iônicos e, quando uma voltagem é aplicada a uma perovskita, faz com que os íons migrem através do material. Acredita-se que esses íons migratórios contribuam para mudanças químicas e estruturais no material que, em última análise, tornam os materiais ineficientes e instáveis. Para fazer células solares de perovskita práticas, os pesquisadores precisam encontrar uma maneira de resolver esse problema.
“Não encontramos uma maneira de impedir que os íons se movam através dos materiais de perovskita, mas ter descobriram que é possível direcionar esses íons para um conduíte seguro que não prejudique a integridade estrutural ou o desempenho do material”, diz Amassian. “É um grande passo à frente.”
O conduíte seguro, neste caso, é algo chamado limite de grão. Os materiais de perovskita são materiais multicristalinos. Isso significa que, quando você está “cultivando” uma perovskita, o material se forma como uma série de cristais – ou “grãos” – alinhados uns com os outros. Esses grãos são responsáveis por absorver a luz e gerar as cargas responsáveis pela corrente elétrica. Cada um desses grãos tem a mesma estrutura cristalina, mas os grãos podem ser orientados em direções ligeiramente diferentes. A área onde os grãos se tocam é chamada de contorno de grão.
“O que descobrimos é que os grãos são mais bem protegidos contra danos quando os íons se movem predominantemente ao longo do contorno do grão”, diz o primeiro autor e autor co-correspondente Masoud Ghasemi, ex-pesquisador de pós-doutorado na NC State que agora é pesquisador de pós-doutorado na Estado de Penn. “Juntando isso com o que já se sabe sobre os materiais de perovskita, fica claro que os problemas começam quando os contornos dos grãos são fracos, o que torna mais fácil para os íons se moverem para os próprios grãos. Projetar contornos de grãos mais fortes que protejam os grãos é essencial para bloquear a migração de íons. e outras espécies nocivas, como o oxigênio, entrem nos grãos, mitigando mudanças químicas e estruturais problemáticas no material.”
“Esta é uma visão importante, porque existem técnicas estabelecidas que podemos usar para projetar materiais de perovskita e seus limites de grão; agora podemos fazer uso dessas abordagens para proteger os grãos”, diz Amassian. “Demonstramos como essas técnicas fortalecem os contornos de grão neste artigo. Em suma, agora sabemos o que precisa ser feito para produzir perovskitas muito mais estáveis.”
O trabalho também pode informar o desenvolvimento de tecnologias de armazenamento de energia mais eficientes.
“Este trabalho avança nossa compreensão fundamental de como os íons se movem através de qualquer material cristalino que possa carregar carga, não apenas perovskitas de haletos”, diz Amassian. “Estamos entusiasmados em conversar com colegas que trabalham com armazenamento de energia sobre como isso pode informar a engenharia de condutores de íons mais rápidos”.
A pesquisa foi realizada com o apoio do US Office of Naval Research, sob o número de concessão N00014-20-1-2573; a National Science Foundation, sob o número de concessão CHE-1848278; e o Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável do Departamento de Energia dos EUA sob o número de concessão DE-EE0009364.
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