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19 de Dezembro de 2019

Em busca de células fotovoltaicas mais eficientes

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Pesquisa apresenta mapeamento de composição química de materiais na nanoscala para a produção de energia solar


A busca por fontes de energia limpas e renováveis tem se intensificado nos últimos anos. Entre elas está, por exemplo, a conversão da luz solar em eletricidade através de células fotovoltaicas, combinadas em módulos popularmente conhecidos como painéis solares. De forma simplificada, a luz solar incidente neste tipo de dispositivo é absorvida pelos elétrons do material. Os elétrons são expelidos dos átomos ou moléculas a que estavam associados, formando a corrente elétrica que será utilizada para o carregamento de uma bateria ou para o funcionamento de alguma máquina elétrica.

Atualmente, o silício ($\rm Si$), um material abundante na crosta terrestre, é a base da imensa maioria de painéis solares instalados. No entanto, apesar da contínua redução nos custos de produção dos painéis, o silício apresenta baixa eficiência na transformação da energia solar. Essa eficiência depende de propriedades intrínsecas dos materiais utilizados na confecção das células fotovoltaicas e aumenta ano a ano com a descoberta de novos e melhores materiais.

Figura: Análise nano-FTIR de filmes OIHP. (A) A radiação infravermelha (IR) de síncrotron é focada em uma ponta metálica que confina os campos em seu ápice para interação adicional com a superfície da amostra. O mapeamento por microscopia de força atômica (AFM) recupera a morfologia em nanoescala (B) e a intensidade de IR (C) de grãos individuais no filme OIHP de $\approx 150 nm$ de espessura. A imagem de infravermelho (C) revela mudanças na resposta vibracional de grãos específicos de OIHP que estão mais associados a estágios iniciais de degradação. Barra de escala, 200 nm. Reproduzido de [1].

Em particular, materiais chamados perovskitas híbridas orgânico-inorgânicas (OIHP) mudaram profundamente o cenário para o futuro da energia solar, atingindo eficiências superiores a 20% em poucos anos de pesquisa e se equiparando à eficiência das células fotovoltaicas à base de silício. Além disso, este é um material de baixo custo para a produção em escala industrial e pode ser integrado em vários produtos transparentes ou flexíveis, como janelas e roupas.

Apesar de seu rápido desenvolvimento, as perovskitas apresentam diversos problemas de estabilidade que impedem sua aplicação comercial. Por exemplo, à temperatura ambiente, a presença de umidade leva a uma degradação irreversível do material, impactando diretamente a eficiência de conversão de energia das células solares.

Para a preparação dessas células fotovoltaicas, as moléculas do material são depositadas no que é chamado de um filme fino, em camadas de espessura da ordem de nanômetros. Distribuídas neste filme, as moléculas acabam se agregando em grãos de tamanho nanométrico. Assim, apesar da degradação do filme fino ser normalmente expressa como uma propriedade macroscópica, é mais provável que ela ocorra na escala desses grãos individuais.

A degradação acontece pela modificação nas fases estruturais das moléculas nesses grãos, isto é, nas diferentes formas como os átomos estão organizados. Devido à presença de umidade ou altas temperaturas, por exemplo, os átomos que compõem a perovskita podem passar de uma estrutura com atividade fotovoltaica para uma outra forma, inativa. No entanto, ainda não se conhece bem como essas diferentes fases se distribuem no filme fino e como ela influencia as propriedades e, consequentemente, o desempenho do dispositivo.

Neste contexto, Rodrigo Szostak, da Universidade Estadual de Campinas, e colaboradores [1] investigaram dois tipos de filmes finos de perovskitas, denominados CsFAMA e FAMA.  O grupo utilizou as instalações da linha de luz IR1, de nanoespectroscopia de infravermelho (nano-FTIR) do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), para mapear quimicamente grãos nanométricos individuais nos filmes de OIHP.

Esta técnica permite identificar diferentes estados químicos presentes nas amostras através da resposta das moléculas à incidência de radiação na faixa do infravermelho. Assim, apesar da pouca diferença morfológica entre os grãos do filme de perovskita, os pesquisadores verificaram que grãos específicos apresentaram atividade vibracional mais forte. Essa atividade está associada a grãos degradados, isto é, em um estado químico inativo para a atividade fotovoltaica.

A partir deste trabalho, os pesquisadores demonstraram que a técnica de nano-FTIR fornece uma ferramenta única para rastrear propriedades morfológicas e químicas de nanogrãos isolados, e dessa forma, investigar a influência das diferentes fases estruturais no desempenho das células solares de perovskitas.

Fonte: [1] R. Szostak, J. C. Silva, S.-H. Turren-Cruz, M. M. Soares, R. O. Freitas, A. Hagfeldt, H. C. N. Tolentino, A. F. Nogueira. Nanoscale mapping of chemical composition in organic-inorganic hybrid perovskite films, Sci. Adv. 2019; 5: eaaw6619. DOI: 10.1126/sciadv.aaw6619