Pesquisa revela instabilidade térmica de células solares, mas oferece um caminho promissor

Em uma pesquisa recém-publicada, uma equipe liderada por Juan-Pablo Correa-Baena, professor assistente da Escola de Ciências e Engenharia de Materiais da Georgia Tech, mostra que as células solares de haleto de perovskita são menos estáveis ​​do que se pensava anteriormente. Seu trabalho revela a instabilidade térmica que ocorre nas camadas de interface das células, mas também oferece um caminho para a confiabilidade e eficiência da tecnologia solar de perovskita haleto. Sua pesquisa, publicada como matéria de capa da revista Materiais avançados em dezembro de 2022, tem implicações imediatas para acadêmicos e profissionais da indústria que trabalham com perovskitas em energia fotovoltaica, um campo relacionado com correntes elétricas geradas pela luz solar.

Células solares de perovskita de haleto de chumbo prometem conversão superior de luz solar em energia elétrica. Atualmente, a estratégia mais comum para obter alta eficiência de conversão dessas células é tratar suas superfícies com grandes íons carregados positivamente, conhecidos como cátions.

Esses cátions são grandes demais para caber na rede em escala atômica da perovskita e, ao pousar no cristal da perovskita, alteram a estrutura do material na interface onde são depositados. Os defeitos de escala atômica resultantes limitam a eficácia da extração de corrente da célula solar. Apesar da consciência dessas mudanças estruturais, a pesquisa sobre se os cátions são estáveis ​​após a deposição é limitada, deixando uma lacuna na compreensão de um processo que poderia afetar a viabilidade a longo prazo das células solares de haleto de perovskita.

“Nossa preocupação era que, durante longos períodos de operação das células solares, a reconstrução das interfaces continuasse”, disse Correa-Baena. “Então, buscamos entender e demonstrar como esse processo acontece ao longo do tempo.”

Para realizar o experimento, a equipe criou um dispositivo solar de amostra usando filmes típicos de perovskita. O dispositivo possui oito células solares independentes, o que permite aos pesquisadores experimentar e gerar dados com base no desempenho de cada célula. Eles investigaram como as células funcionariam, com e sem o tratamento de superfície catiônica, e estudaram as interfaces modificadas por cátions de cada célula antes e depois do estresse térmico prolongado usando técnicas de caracterização de raios-X baseadas em síncrotron.

Primeiro, os pesquisadores expuseram as amostras pré-tratadas a 100 graus Celsius por 40 minutos e, em seguida, mediram suas mudanças na composição química usando espectroscopia de fotoelétrons de raios-X. Eles também usaram outro tipo de tecnologia de raios-X para investigar precisamente que tipo de estruturas cristalinas se formam na superfície do filme. Combinando as informações das duas ferramentas, os pesquisadores puderam visualizar como os cátions se difundem na rede e como a estrutura da interface muda quando exposta ao calor.

Em seguida, para entender como as mudanças estruturais induzidas por cátions afetam o desempenho das células solares, os pesquisadores empregaram espectroscopia de correlação de excitação em colaboração com Carlos Silva, professor de física e química na Georgia Tech. A técnica expõe as amostras de células solares a pulsos de luz muito rápidos e detecta a intensidade da luz emitida pelo filme após cada pulso para entender como a energia da luz é perdida. As medições permitem que os pesquisadores entendam quais tipos de defeitos de superfície são prejudiciais ao desempenho.

Por fim, a equipe correlacionou as mudanças na estrutura e nas propriedades optoeletrônicas com as diferenças na eficiência das células solares. Eles também estudaram as mudanças induzidas por altas temperaturas em dois dos cátions mais usados ​​e observaram as diferenças na dinâmica em suas interfaces.

“Nosso trabalho revelou que há instabilidade introduzida pelo tratamento com certos cátions”, disse Carlo Perini, pesquisador do laboratório de Correa-Baena e primeiro autor do artigo. “Mas a boa notícia é que, com a engenharia adequada da camada de interface, veremos uma maior estabilidade dessa tecnologia no futuro.”

Os pesquisadores descobriram que as superfícies dos filmes de perovskita de haleto metálico tratados com cátions orgânicos continuam evoluindo em estrutura e composição sob estresse térmico. Eles viram que as mudanças em escala atômica resultantes na interface podem causar uma perda significativa na eficiência de conversão de energia em células solares. Além disso, eles descobriram que a velocidade dessas mudanças depende do tipo de cátions usados, sugerindo que interfaces estáveis ​​podem estar ao alcance com a engenharia adequada das moléculas.

“Esperamos que este trabalho estimule os pesquisadores a testar essas interfaces em altas temperaturas e buscar soluções para o problema da instabilidade”, disse Correa-Baena. “Este trabalho deve apontar os cientistas na direção certa, para uma área onde eles podem se concentrar para construir tecnologias solares mais eficientes e estáveis”.