Estudo abre caminho para o desenvolvimento de células solares mais eficientes

Pesquisadores da Unicamp vinculados ao Centro de Inovação em Novas Energias e colaboradores descrevem a “receita ideal” para obter filmes de perovskita que poderão ser usados em dispositivos fotovoltaicos

Agência FAPESP* – Em apenas uma década de pesquisa, as células solares de perovskitas tornaram-se competitivas em termos de eficiência. Atualmente, sabe-se que a sua capacidade de converter luz em eletricidade é maior ainda quando elas são empilhadas em cima de células solares de silício, formando uma junção de dispositivos chamada “tandem”. Contudo, esses bons resultados correspondem geralmente a dispositivos pequenos, usados para pesquisa em laboratório. Conseguir produzir grandes áreas de perovskitas sem prejudicar a eficiência ainda é um desafio.

Pesquisadores da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) vinculados ao Centro de Inovação em Novas Energias (CINE) monitoraram em detalhe como ocorre a formação de perovskitas por um método conhecido como gas quenching – processo que tinha sido pouco estudado na literatura científica, apesar de possibilitar a produção de filmes de grandes áreas.

O trabalho, realizado em colaboração com pesquisadores do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM) e da École Polytechnique Fédérale de Lausanne (Suíça), foi reportado em artigo publicado na revista Advanced Functional Materials. O CINE é um Centro de Pesquisa em Engenharia (CPE) constituído pela FAPESP e Shell.

Material funcional

A perovskita propriamente dita é um óxido de cálcio e titânio, com fórmula molecular CaTiO3. Foi descoberta nos montes Urais, na Rússia, em 1839. E recebeu esse nome em homenagem ao mineralogista russo Lev Perovski (1792-1856), ministro do czar Nicolau I. O que os pesquisadores do CINE e outros chamam de perovskita é, na verdade, uma classe de materiais diversos sintetizados em laboratório que apresentam a mesma estrutura cristalina da perovskita original. São substâncias constituídas por dois cátions (íons positivos) de diferentes tamanhos, que podem ser genericamente descritos pela fórmula molecular ABX3, na qual A e B representam os cátions e X representa halogênios.

As pesquisas conduzidas no CINE, com vista à potencial utilização em dispositivos fotovoltaicos, enfocam perovskitas híbridas, com um cátion inorgânico (sem carbono) e um cátion orgânico (com carbono).

Para se obter perovskitas pelo método de gas quenching, o primeiro passo consiste em depositar, sobre um suporte, uma solução contendo os compostos precursores da perovskita.

Quando o solvente evapora, o material cristaliza e forma a organizada estrutura própria das perovskitas. Porém, antes de isso acontecer, diversos compostos com estruturas diferentes (os chamados “intermediários”) formam-se momentaneamente.

No experimento, realizado no Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) do CNPEM, em Campinas, a equipe científica conseguiu analisar cada um dos intermediários formados, usando uma técnica de caracterização por raios X que fornece informações sobre a estrutura cristalina dos materiais.

Na preparação das soluções iniciais, a equipe utilizou dois solventes diferentes combinados com diversos precursores e observou que cada combinação leva a um caminho único de formação de intermediários, o que impacta na morfologia e nas propriedades finais da perovskita, bem como na sua eficiência dentro das células solares.

Além de trazer valiosas informações sobre a formação de perovskitas por gas quenching, os resultados da pesquisa auxiliam na escolha do melhor solvente para obter melhores filmes de perovskita para células solares, inclusive as do tipo tandem.

O artigo Revealing the Perovskite Film Formation Using the Gas Quenching Method by In Situ GIWAXS: Morphology, Properties, and Device Performance, de Rodrigo Szostak, Sandy Sanchez, Paulo E. Marchezi, Adriano S. Marques, Jeann C. Silva, Matheus S. Holanda, Anders Hagfeldt, Hélio C. N. Tolentino e Ana F. Nogueira, pode ser lido em https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202007473.

* Com informações da Assessoria de Comunicação do CINE