Os materiais solares da próxima geração oferecem uma alternativa mais económica e amiga do ambiente às tradicionais células solares de silício, mas permanecem desafios para tornar estes dispositivos suficientemente duráveis para resistir às condições do mundo real. Uma nova tecnologia desenvolvida por uma equipe internacional de cientistas poderia simplificar o desenvolvimento de células solares de peróxido eficientes e estáveis, batizadas por sua estrutura cristalina única, que se destaca na absorção de luz visível.
Cientistas, incluindo Nelson Dzade, membro do corpo docente da Penn State, relatam na revista Nature Energy que seu novo método permite fabricar células solares de peróxido que são mais duráveis e ainda alcançam uma alta eficiência de 21,59% na conversão de luz solar em eletricidade.
O diopsídio é uma tecnologia solar promissora porque as células podem ser feitas à temperatura ambiente usando menos energia do que os materiais tradicionais de silício, tornando-as mais baratas de produzir e mais sustentáveis, disse Dezadeh, professor assistente de energia e engenharia mineral da família John e Willie Leon no Departamento de Energia e Engenharia Mineral e coautor do estudo. Mas os principais candidatos para a construção desses dispositivos, os haletos metálicos híbridos orgânico-inorgânicos, contêm componentes orgânicos que são suscetíveis à umidade, oxigênio e calor, e podem causar rápida degradação do desempenho quando expostos a condições do mundo real, dizem os cientistas.
Uma solução é mudar para materiais peritéticos totalmente inorgânicos, como o iodeto de césio-chumbo, que oferecem boas propriedades elétricas e resistência excepcional a fatores ambientais. No entanto, o material é policristalino, o que significa que possui múltiplas fases com diferentes estruturas cristalinas. Duas das espécies fotoativas são relativamente boas para células solares, mas podem facilmente se converter em fases pobres e não fotoativas à temperatura ambiente, introduzindo defeitos que reduzem a eficiência das células solares, disseram os cientistas.
Tecnologia inovadora de heterojunção de fase
Os cientistas combinaram dois policristais fotoativos de iodeto de césio e chumbo para formar uma heterojunção de fase - que inibe a transição para fases indesejáveis. As heterojunções são formadas pelo empilhamento de diferentes materiais semicondutores com diferentes propriedades optoeletrônicas, assim como as camadas das células solares. Essas junções em dispositivos solares podem ser personalizadas para ajudar a absorver mais energia do sol e convertê-la em eletricidade de forma mais eficiente.
“A beleza deste trabalho é que ele mostra que usar dois policristais do mesmo material para criar células solares de heterojunção de fase é uma abordagem viável”, disse Dzade. “Melhora a estabilidade do material e evita a interconversão entre as duas fases. A interface coerente formada entre as duas fases permite que os elétrons fluam facilmente através do dispositivo, aumentando assim a eficiência da conversão de energia.
O dispositivo criado pelos pesquisadores alcançou eficiência de conversão de energia de 21,59%, um dos maiores índices desse tipo de método, e possui excelente estabilidade. Além disso, o dispositivo ainda pode manter mais de 90% da sua eficiência inicial após 200 horas de armazenamento em condições ambientais.
"Quando dimensionado do laboratório para módulos solares reais, nosso projeto alcançou uma eficiência de conversão de energia de 18,43% com uma área de célula solar superior a 7 polegadas quadradas (18,08 centímetros quadrados)", disse Dzade. "Esses resultados preliminares destacam o potencial de nossa abordagem para desenvolver módulos de células solares de peróxido muito grandes e avaliar de forma confiável sua estabilidade."
Os pesquisadores modelaram as propriedades estruturais e eletrônicas da heterojunção em escala atômica e descobriram que a combinação das duas fotoatividades cria uma estrutura interfacial estável e coerente que promove separação e transferência eficiente de carga - propriedades desejáveis para dispositivos solares eficientes.
Os colegas de Dzade na Universidade Nacional de Chonnam, na Coreia do Sul, desenvolveram um método exclusivo de deposição dupla para fabricar o dispositivo – uma fase depositada usando tecnologia de ar quente e a outra usando tecnologia de evaporação térmica de três fontes. Sawanta S. Mali, professor pesquisador da Universidade de Chonnam, na Coreia do Sul, e primeiro autor do artigo, disse que a adição de uma pequena quantidade de moléculas e aditivos orgânicos durante o processo de deposição melhora ainda mais o desempenho elétrico, a eficiência e a estabilidade do dispositivo.
"Acreditamos que a tecnologia de deposição dupla que desenvolvemos neste trabalho terá implicações importantes para a fabricação de células solares de peróxido eficientes e estáveis", disse o coautor do estudo Nelson Dzade, professor assistente de energia e engenharia mineral da família John e Willie Leon no Departamento de Energia e Engenharia Mineral.
Os pesquisadores dizem que esta técnica de deposição dupla pode abrir caminho para o desenvolvimento de mais células solares baseadas em componentes peritéticos totalmente inorgânicos ou outros componentes peritéticos haleto. Além de estender a tecnologia a diferentes composições, o trabalho futuro inclui tornar as células de heterojunção da fase atual mais duráveis em condições do mundo real e aumentá-las para as dimensões dos painéis solares tradicionais, dizem os pesquisadores.
"Com esta abordagem, acreditamos que num futuro próximo seremos capazes de alcançar eficiências superiores a 25 por cento", disse Dzade. "Assim que conseguirmos isso, a comercialização estará ao virar da esquina."