Um revestimento protetor ultrafino é suficiente para proteger uma célula solar de perovskita dos efeitos nocivos do espaço e endurecê-la contra fatores ambientais na Terra, de acordo com uma pesquisa recém-publicada do Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) do Departamento de Energia dos EUA.
Financiada pelo Fundo de Melhoria da Capacidade Energética Operacional (OECIF) do Departamento de Defesa dos EUA, a pesquisa do NREL foi feita para o Laboratório de Pesquisa da Força Aérea (AFRL) para desenvolver fontes de energia inovadoras de baixo custo para alimentar as forças armadas em todo o mundo.
A pesquisa é o mais recente esforço para determinar a eficácia das perovskitas para uso em aplicações espaciais, onde seriam expostas a prótons, partículas alfa, oxigênio atômico e outros estressores. A capacidade de usar perovskitas para gerar energia no espaço é atraente porque elas oferecem uma opção leve e de baixo custo para outras tecnologias com potencial para alcançar eficiências semelhantes às das atuais tecnologias fotovoltaicas espaciais.
Assim como na Terra, as células solares de perovskita precisam ter durabilidade adequada. No entanto, o ambiente no espaço é significativamente diferente. Enquanto os maiores desafios na Terra estão relacionados ao clima, no espaço as perovskitas devem enfrentar os problemas que vêm do bombardeio de radiação e variações extremas de temperatura. As perovskitas mostram sinais de melhor tolerância à radiação do que muitas outras células solares, mas muitos testes ainda precisam ser realizados.
No ano passado, pesquisadores fizeram simulações para demonstrar como a exposição à radiação no espaço afetaria as perovskitas. Eles determinaram que a tecnologia de próxima geração funcionaria no espaço, mas apontaram a necessidade de encapsular a célula de alguma forma para fornecer proteção adicional.
Na pesquisa de acompanhamento, Ahmad Kirmani, principal autor do último Energia da Natureza paper, as referidas simulações demonstraram que uma camada de óxido de silício com espessura de mícron preservaria a eficiência e aumentaria a vida útil das células solares de perovskita no espaço. Como comparação, a camada de um mícron de espessura é cerca de 100 vezes mais fina do que um cabelo humano típico.
Kirmani disse que a camada de óxido de silício pode reduzir o peso das barreiras de radiação convencionais usadas para outras células solares em mais de 99% e serve como um primeiro passo para projetar embalagens leves e de baixo custo para perovskitas.
Prótons de alta energia viajam através de células solares de perovskita sem causar muito dano. Os prótons de baixa energia, no entanto, são mais abundantes no espaço e causam mais estragos nas células de perovskita, deslocando os átomos do lugar e fazendo com que os níveis de eficiência diminuam constantemente. Os prótons de energia mais baixa interagem com a matéria muito mais prontamente e a adição da camada de óxido de silício protegeu a perovskita de danos mesmo dos prótons de baixa energia.
“Pensamos que seria impossível para o óxido de silício fornecer proteção contra partículas de longo alcance totalmente penetrantes, como prótons de alta energia e partículas alfa”, disse Kirmani. “No entanto, a camada de óxido acabou por ser uma barreira surpreendentemente boa contra eles também.”
Os resultados são detalhados no artigo “Camadas de barreira de óxido metálico para fotovoltaica de perovskita terrestre e espacial”. Os coautores são David Ostrowski, Kaitlyn VanSant, Rosemary Bramante, Karen Heinselman, Jinhui Tong, Bart Stevens, William Nemeth, Kai Zhu e Joseph Luther, do NREL; e vários colaboradores importantes que trabalham com a equipe da University of North Texas e da University of Oklahoma. VanSant ocupa a posição única de ser um pesquisador de pós-doutorado na NASA que realiza pesquisas no NREL.
A exposição a um fluxo de prótons de baixa energia fez com que as células solares de perovskita desprotegidas perdessem apenas cerca de 15% de sua eficiência inicial, descobriram os pesquisadores. Uma concentração maior de partículas destruiu as células, enquanto as perovskitas protegidas demonstraram o que os cientistas descreveram como “uma resiliência notável”. Com a barreira simples, as células não apresentaram danos.
Além de tornar as células mais resistentes no espaço, os pesquisadores também testaram como a barreira poderia trazer benefícios em aplicações mais convencionais. Eles então expuseram as células solares de perovskita a um ambiente descontrolado de umidade e temperatura por vários dias para imitar as condições de armazenamento. As células protegidas mantiveram sua eficiência inicial de 19%, enquanto as células desprotegidas apresentaram degradação significativa, de 19,4% para 10,8%. A camada de óxido também forneceu proteção quando outras composições de perovskita tipicamente mais sensíveis à umidade foram expostas à água.
Além disso, as células solares de perovskita foram submetidas a uma câmara de teste onde foram bombardeadas com fótons ultravioleta semelhantes ao ambiente na órbita baixa da Terra. Os fótons interagiram com o oxigênio para criar oxigênio atômico. As células desprotegidas foram destruídas após oito minutos. As células protegidas mantiveram sua eficiência inicial após 20 minutos e tiveram apenas uma leve queda após 30 minutos.
As simulações e experimentos revelaram que, ao reduzir os danos causados pela radiação, a vida útil das células solares protegidas usadas nas órbitas da Terra e no espaço profundo aumentaria de meses para anos.
“A eficiência da conversão de energia e a estabilidade operacional das células solares de perovskita têm sido as duas principais áreas de foco da comunidade até agora”, disse ele. “Fizemos muitos progressos e acho que chegamos longe ao ponto de estarmos bem perto de atingir as metas necessárias para a industrialização. No entanto, para realmente permitir essa entrada no mercado, a embalagem é o próximo alvo.”
Como as células solares de perovskita podem ser depositadas em um substrato flexível, a tecnologia emergente, juntamente com a camada protetora de óxido de silício, permite seu uso para várias aplicações terrestres, como alimentar drones.
O NREL é o principal laboratório nacional do Departamento de Energia dos EUA para pesquisa e desenvolvimento em energia renovável e eficiência energética. O NREL é operado para o DOE pela Alliance for Sustainable Energy LLC.
Com informações de Science Daily.
