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Uma equipe de pesquisa da Escola de Engenharia da Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong (HKUST) revelou a existência de concavidades superficiais em grãos de cristal individuais — que são os blocos fundamentais — de filmes finos de perovskita, e desvendou seus efeitos significativos nas propriedades e confiabilidade do filme. Com base nessa descoberta científica fundamental, a equipe foi pioneira em uma nova maneira de tornar as células solares de perovskita mais eficientes e estáveis por meio de uma quimio-eliminação dessas concavidades superficiais dos grãos.
As células solares de perovskita são uma tecnologia de célula solar estelar que demonstrou potencial para substituir as células solares de silício existentes em uma ampla gama de cenários de aplicação, por exemplo, eletricidade de rede, energia portátil e fotovoltaica espacial. Elas não apenas atingem maiores eficiências de conversão de energia (PCEs) do que as células de silício comerciais, mas também oferecem vantagens em termos de baixos custos de material, fabricação sustentável e alta versatilidade em transparência e cores. No entanto, a estabilidade de longo prazo dos dispositivos de perovskita sob condições de luz, umidade e termomecânicas continua sendo um obstáculo na comercialização desta promissora tecnologia solar.
Para abordar essa questão, o Prof. ZHOU Yuanyuan, Professor Associado do Departamento de Engenharia Química e Biológica da HKUST, e seu grupo de pesquisa conduziram uma pesquisa fundamentalmente orientada a partir de uma perspectiva única da microestrutura dos materiais. Eles descobriram uma proliferação de concavidades superficiais nos grãos cristalinos do material de perovskita. Essas concavidades são mostradas para quebrar a continuidade estrutural na interface do filme de perovskita, servindo como um fator de microestrutura oculto que limita a eficiência e a estabilidade das células de perovskita.
Então, a equipe deu um passo inovador para remover as concavidades da superfície do grão usando uma molécula surfactante, tridecafluorohexano-1-ácido sulfônico de potássio, para manipular a evolução da tensão e a difusão de íons durante a formação de filmes de perovskita. Consequentemente, suas células de perovskita finais demonstraram melhorias óbvias na retenção de eficiência sob testes padronizados de ciclo térmico, calor úmido e rastreamento de ponto de potência máxima.
“A estrutura e a geometria de grãos cristalinos individuais são a origem do desempenho de semicondutores de perovskita e células solares. Ao revelar as concavidades da superfície dos grãos, entender seus efeitos e alavancar a engenharia química para adaptar sua geometria, estamos sendo pioneiros em uma nova maneira de fazer células solares de perovskita com eficiência e estabilidade em relação aos seus limites”, disse o Prof. Zhou, o autor correspondente deste trabalho.
“Ficamos muito intrigados pelas concavidades superficiais dos grãos de perovskita quando usávamos microscopia de força atômica para examinar os detalhes estruturais dos filmes de perovskita. Essas concavidades geralmente ficam enterradas sob o fundo do filme e podem ser facilmente ignoradas”, ele acrescentou.
“A microestrutura é de vital importância para células solares de perovskita e outros dispositivos optoeletrônicos, e pode ser mais complexa do que materiais convencionais devido às características híbridas orgânicas-inorgânicas dos materiais de perovskita. Sob a orientação do Prof. Zhou, somos capazes de desenvolver várias abordagens inovadoras de caracterização e ciência de dados para obter insights sobre a microestrutura da perovskita”, disse ZHANG Yalan, um aluno de doutorado no grupo de pesquisa do Prof. Zhou e coautor deste trabalho.
O trabalho de pesquisa da equipe, intitulado “Eliminação de concavidades de superfície de grãos para interfaces de filme fino de perovskita aprimoradas”, foi publicado no periódico Energia da Natureza. O trabalho foi colaborado com a Universidade Batista de Hong Kong e a Universidade de Yale.
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