Cientistas da Universidade Rice descobriram um novo fenômeno de expansão de rede induzida pela luz em materiais de perovskita, considerado um material eficiente para coletar a luz solar e convertê-la em energia.. A expansão da rede cura os defeitos em massa e de interface, o que leva a um aumento das propriedades optoeletrônicas da perovskita.
Um estudo realizado pela Universidade Rice e pelo Laboratório Nacional de Los Alamos descobriu qque a iluminação constante relaxa a tensão na estrutura cristalina da perovskita, permitindo que ela se expanda uniformemente em todas as direções.
A expansão alinha os planos de cristal do material e cura os defeitos no volume. Isso, por sua vez, reduz as barreiras energéticas nos contatos, facilitando a passagem dos elétrons pelo sistema e a entrega de energia aos dispositivos. Isso não apenas melhora a eficiência de conversão de energia da célula solar, mas também não compromete sua fotoestabilidade, com degradação insignificante em mais de 1.500 horas de operação sob iluminação contínua de 100 miliwatts por centímetro cúbico.
O trabalho de pesquisa publicado na Science, representa um passo significativo em direção a células solares baseadas em perovskita estáveis para a próxima geração de tecnologias de energia solar para eletricidade e energia solar para combustível, de acordo com os pesquisadores, liderados por Aditya Mohite, um cientista da equipe do Los Alamos, que em breve se tornará professor da Rice, Wanyi Nie, também cientista da equipe em Los Alamos, e Hsinhan (Dave) Tsai, estudante de graduação de Rice.
"Estruturas de cristal de perovskita híbrida têm uma fórmula geral de AMX3, onde A é um cátion, M é um metal bivalente e X é um haleto. É um semicondutor polar com uma abertura de banda direta semelhante à do arsenieto de gálio (...) que dota a perovskita de um coeficiente de absorção que é quase uma ordem de grandeza maior do que o arsenieto de gálio (um semicondutor comum em células solares) em todo o espectro solar", disse Mohite. “Isso faz com que um filme de 300 nanômetros de espessura de perovskita seja suficiente para absorver toda a luz solar incidente. Por outro lado, o silício é um material de abertura de faixa indireta que requer 1.000 vezes mais material para absorver a mesma quantidade de luz solar ”.
Mohite disse que os pesquisadores há muito buscam perovskitas híbridas eficientes que são estáveis sob a luz solar e sob condições ambientais.
"Através deste trabalho, demonstramos um progresso significativo na realização de ambos os objetivos", disse ele. “Nossa perovskita tripla baseada em cátions em uma estrutura cúbica mostra excelente estabilidade de temperatura a mais de 100º Celsius (212º Fahrenheit)”.
Os pesquisadores modelaram e produziram mais de 30 filmes finos semicondutores, à base de iodeto, com estruturas semelhantes a perovskita: cubos cristalinos com átomos dispostos em fileiras e colunas regulares. Eles mediram sua capacidade de transmitir corrente e descobriram que, quando encharcados de luz, a barreira energética entre a perovskita e os eletrodos desaparecia, à medida que as ligações entre os átomos relaxavam. E ficaram surpresos ao ver que a barreira não retornou por 30 minutos após a luz foi desligada. Como os filmes foram mantidos a uma temperatura constante durante os experimentos, os pesquisadores também foram capazes de eliminar o calor como uma possível causa da expansão da rede.
As medições mostraram que a perovskita híbrido “campeã” aumentou sua eficiência de conversão de energia de 18,5% para 20,5%. Em média, todas as células tiveram uma eficiência elevada acima de 19%. Mohite disse que as perovskitas usadas no estudo estavam a 7 por cento da máxima eficiência possível para uma célula solar de junção única.
Ele disse que a eficiência das células foi quase o dobro de todas as outras tecnologias fotovoltaicas processadas por solução e 5% menor do que a fotovoltaica comercial à base de silício. Eles retiveram 85% de sua eficiência máxima após 800 horas de operação contínua no ponto de potência máxima, e sua densidade atual não mostrou degradação induzida por foto ao longo de 1.500 horas.
"Este trabalho irá acelerar o entendimento científico necessário para alcançar as células solares de perovskita que são estáveis", disse Mohite. "Ele também abre novas direções para descobrir fases e comportamentos emergentes que surgem da natureza estrutural dinâmica, ou suavidade, da estrutura da perovskita."
Essa descoberta pode ir além da energia fotovoltaica, uma vez que conecta, pela primeira vez, dinâmicas estruturais acionadas por luz com processos fundamentais de transporte eletrônico. Eles antecipam que isso levará a tecnologias que exploram a luz, a força ou outros gatilhos externos para adequar as propriedades dos materiais à base de perovskita.