Nova técnica abre caminho para perovskitas perfeitas

Uma nova técnica na Fonte de Luz Avançada revela o que acontece (da esquerda para a direita) no segundo antes, durante e depois que uma gota de um agente de solidificação transforma uma solução precursora líquida em um material solar perovskita. Crédito: Berkeley Lab

Um novo e empolgante material solar chamado perovskitas de haleto orgânico-inorgânico poderia um dia ajudar os EUA a alcançar suas ambições solares e descarbonizar a rede elétrica. Mil vezes mais finos que o silício, os materiais solares de perovskita podem ser ajustados para responder a diferentes cores do espectro solar simplesmente alterando sua mistura de composição.

Normalmente fabricados a partir de moléculas orgânicas, como metilamônio e haletos de metais inorgânicos, como iodeto de chumbo, os materiais solares de perovskita híbrida têm uma alta tolerância a defeitos em sua estrutura molecular e absorvem a luz visível com mais eficiência do que o silício, o padrão da indústria solar.

Juntas, essas qualidades tornam as perovskitas camadas ativas promissoras não apenas em fotovoltaicos (tecnologias que convertem luz em eletricidade), mas também em outros tipos de dispositivos eletrônicos que respondem ou controlam a luz, incluindo diodos emissores de luz (LEDs), detectores e lasers.

“Embora as perovskitas ofereçam grande potencial de expansão da energia solar, elas ainda precisam ser comercializadas porque sua síntese confiável e estabilidade de longo prazo desafiam os cientistas há muito tempo”, disse Carolin Sutter-Fella, cientista da Molecular Foundry, uma instalação de usuários de nanociência no Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). “Agora, um caminho para perovskitas perfeitas pode em breve estar ao nosso alcance.”

Um estudo recente da Nature Communications co-liderado por Sutter-Fella relata que a fabricação de materiais solares poderia ser auxiliada por um novo instrumento sofisticado que usa dois tipos de luz – luz invisível de raios X e luz laser visível – para sondar a estrutura de cristal de um material de perovskita e propriedades ópticas à medida que é sintetizado.

“Quando as pessoas fazem filmes finos solares, normalmente têm um laboratório de síntese dedicado e precisam ir a outro laboratório para caracterizá-lo. Com nosso desenvolvimento, você pode sintetizar e caracterizar totalmente um material ao mesmo tempo, no mesmo lugar”, ela disse.

Para este trabalho, Sutter-Fella montou uma equipe internacional de cientistas e engenheiros de ponta para equipar uma estação final de linha de feixe de raios-X com um laser na Fonte de Luz Avançada (ALS) do Berkeley Lab.

A luz de raios-X altamente intensa do novo instrumento permite aos pesquisadores sondar a estrutura cristalina do material de perovskita e desvendar detalhes sobre processos químicos rápidos. Por exemplo, pode ser usado para caracterizar o que acontece no segundo antes e depois de uma gota de um agente de solidificação transformar uma solução precursora líquida em um filme fino sólido.

Ao mesmo tempo, seu laser pode ser usado para criar elétrons e buracos (portadores de carga elétrica) no filme fino de perovskita, permitindo aos cientistas observar a resposta de um material solar à luz, seja como um produto acabado ou durante os estágios intermediários do material síntese.

“Equipar uma estação final de linha de feixe de raios-X com um laser permite que os usuários investiguem essas propriedades complementares simultaneamente”, explicou Sutter-Fella.

Essa combinação de medições simultâneas pode se tornar parte de um fluxo de trabalho automatizado para monitorar a produção de perovskitas e outros materiais funcionais em tempo real para controle de processo e qualidade.

Os filmes de perovskita são normalmente feitos por spin coating, uma técnica acessível que não requer equipamentos caros ou complicados arranjos químicos. E o caso das perovskitas fica ainda mais claro quando você considera o quanto consome energia apenas para fabricar silício em um dispositivo solar – o silício requer uma temperatura de processamento de cerca de 1500 graus Celsius. Em contraste, as perovskitas são facilmente processadas desde a solução em temperatura ambiente até apenas 150 graus Celsius.

A estação final da linha de luz permite que os pesquisadores observem o que acontece durante a síntese e, em particular, durante os primeiros segundos do revestimento por rotação, uma janela de tempo crítica durante a qual a solução precursora começa lentamente a se solidificar em uma película fina.

O primeiro autor Shambhavi Pratap, que se especializou no uso de raios X para estudar materiais de energia solar de película fina, desempenhou um papel crítico no desenvolvimento do instrumento como bolsista de doutorado em ALS. Recentemente, ela completou seus estudos de doutorado no grupo Müller-Buschbaum da Universidade Técnica de Munique.

“O instrumento permitirá que os pesquisadores documentem como pequenas coisas que normalmente são tidas como certas podem ter um grande impacto na qualidade e no desempenho do material”, disse Pratap.

“Para fazer células solares reproduzíveis e eficientes a baixo custo, tudo importa”, disse Sutter-Fella. Ela acrescentou que o estudo foi um esforço de equipe que abrangeu uma ampla gama de disciplinas científicas.

O trabalho é o capítulo mais recente de um conjunto de trabalhos para o qual Sutter-Fella recebeu o prêmio de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido do Laboratório de Carreira Inicial do Berkeley Lab (LDRD) em 2017.

“Sabemos que a comunidade de pesquisa está interessada em usar esta nova capacidade no ALS”, disse ela. “Agora queremos torná-lo amigável para que mais pessoas possam aproveitar as vantagens desta estação final.”

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