Células solares feitas com materiais baratos e imprimíveis estão a aproximar-se do desempenho de primeira linha - mas ainda costumam falhar quando aquecidas.
Um novo passo de proteção ganha importância agora, porque produzir eletricidade limpa em grande escala exige dispositivos que continuem a funcionar mesmo em condições severas.
O calor é o elo fraco
Em muitos protótipos de alta eficiência, o momento mais crítico acontece durante a fabricação, quando o calor pode arruinar uma camada solar promissora.
Um trabalho na Universidade Jiaotong de Xi’an (XJTU), na China, concentrou-se em travar os danos térmicos antes que se espalhassem de forma ampla.
O projeto foi liderado pelo Dr. Chao Liang. A sua pesquisa mira as interfaces frágeis em filmes finos.
Ao proteger a superfície durante o aquecimento, a equipa diminuiu a probabilidade de que microfalhas crescessem e se transformassem em problemas de longo prazo.
O que torna as perovskitas desafiadoras
Muitos laboratórios constroem células solares com perovskitas, materiais cristalinos que absorvem luz com extrema eficiência. Por isso, é possível atingir altas eficiências ao usar esses materiais.
Ao contrário do silício, a sua estrutura é mantida por atração elétrica, o que faz com que o calor possa afrouxar ligações essenciais.
Quando essas ligações enfraquecem, a migração iónica - átomos carregados deslocando-se pelo material - torna-se mais fácil e as perdas elétricas aumentam com o tempo.
Essa mesma mobilidade ajuda a explicar por que dispositivos de perovskita podem degradar rapidamente, a menos que as superfícies permaneçam organizadas e quimicamente estáveis.
Por que o iodo se perde
Para obter um filme de perovskita liso, em geral é necessário o recozimento: um aquecimento controlado que ajuda os cristais a se formarem de maneira uniforme depois que o revestimento húmido seca.
Durante esse aquecimento, o iodo pode escapar pela superfície superior, e o cristal remanescente passa a ficar mais vulnerável a danos.
Com uma vacância de iodo - um átomo de iodo em falta no cristal - os iões de chumbo próximos perdem parceiros e a estrutura local se deforma.
Defeitos que começam na superfície podem então avançar para o interior da perovskita, reduzindo o fluxo elétrico e abrindo caminho para uma degradação mais rápida mais tarde.
Uma prensagem sem solventes
Para bloquear o dano logo no início, a equipa recorreu ao recozimento por prensagem molecular, uma etapa de prensagem a quente que faz moléculas aderirem à superfície da perovskita.
Um filme-modelo fino foi pressionado sobre a perovskita sem solvente, formando uma camada de cobertura densa durante o aquecimento.
Esse filme transportava 2-piridiletanamina, uma pequena molécula orgânica rica em nitrogénio, e os seus dois sítios de ligação ajudaram a manter a superfície coesa.
Os investigadores apresentaram a etapa como uma forma de evitar danos superficiais durante o aquecimento, em vez de tentar corrigir defeitos depois que eles surgem.
Moléculas travam a superfície
A molécula principal aderiu a átomos de chumbo expostos na superfície, reforçando as ligações do cristal sob temperaturas elevadas.
Ao ligar-se em dois pontos, ela estabilizou a estrutura chumbo-iodo, reduzindo a formação de novas vacâncias e também a propagação das que já existiam.
Com menos defeitos, as cargas atravessaram o filme com mais limpeza, e uma parcela maior da luz capturada chegou aos eletrodos na forma de energia.
Esse ganho depende de manter o contacto uniforme, porque falhas na camada prensada ainda podem deixar rotas de fuga para o iodo.
Eficiência de perovskita que aumenta de escala
Durante anos, o gráfico do Laboratório Nacional de Energias Renováveis (NREL) registou a rápida subida das perovskitas, e este resultado aproximou-se do topo.
Com uma certificação padrão, o grupo reportou 26.5 percent eficiência num dispositivo muito pequeno e 23.0 percent num módulo de 2,5 polegadas quadradas (16 centímetros quadrados).
Esses avanços vieram sobretudo de uma recolha de carga mais suave, já que menos defeitos significaram menos energia desperdiçada como calor dentro da célula.
Mesmo assim, alcançar alto desempenho num filme pronto para prensagem é apenas um passo rumo à produção em massa nas linhas completas de painéis de células solares.
Sobrevivência sob calor húmido
Os números de eficiência têm menos valor se a célula solar perder potência após alguns meses; por isso, a equipa submeteu os dispositivos a calor e humidade exigentes.
Em operação a 185 graus Fahrenheit (85 graus Celsius) e 60 percent de humidade relativa, as células mantiveram 98.6 percent do desempenho inicial após 1,617 horas.
Em armazenamento no escuro, em condições de ambiente, ainda retiveram 97.2 percent após 5,280 horas, indicando mudança química lenta sem luz.
Esses testes não conseguem prever todos os stresses ao ar livre, mas mostram que corrigir defeitos no início pode trazer benefícios mais adiante.
Reutilização do mesmo molde
Uma técnica que funciona uma vez não basta; por isso, a equipa verificou se o filme de impressão poderia ser reutilizado muitas vezes.
Um único molde de 2-piridiletanamina foi usado para fabricar 30 dispositivos consecutivos, e o processo reduziu os custos de material para tratamento de superfície em mais de 47 vezes.
Como a abordagem evitou lavagens adicionais com solventes, também diminuiu o risco de dissolver ou tornar rugosa a delicada camada superior.
A reutilização ajuda nos custos de produção de células solares, mas as fábricas ainda precisariam de ferramentas de pressão fiáveis e de controlos de qualidade para manter cada prensagem uniforme.
Rumo a um hardware de células solares mais resistente
Dispositivos de perovskita ainda enfrentam obstáculos fora do laboratório, sobretudo quando precisam resistir a chuva, poeira e variações diárias de temperatura.
A embalagem protetora deve bloquear água e oxigénio por anos, e as vedações precisam manter-se apertadas mesmo com a expansão dos materiais.
A maioria das perovskitas de alta eficiência também contém chumbo; assim, os fabricantes têm de evitar fugas durante o uso e gerir resíduos de forma responsável.
O recozimento por prensagem molecular melhora uma via específica de falha, mas painéis reais de células solares vão exigir várias proteções a trabalhar em conjunto sob luz solar.
Ao prensar uma molécula protetora no lugar durante o aquecimento, a XJTU transformou um momento de fabricação arriscado numa etapa de superfície controlada.
Se outros grupos conseguirem escalar o processo de prensagem e comprovar longas vidas úteis ao ar livre, esta abordagem pode ajudar as perovskitas a competir nos mercados.
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