VALÊNCIA 19 maio (EUROPA PRESS) -
Uma equipe de pesquisa do Instituto de Ciência Molecular (ICMol) da Universidade de Valência e do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (KIT), na Alemanha, desenvolveu um processo de fabricação a vácuo sem solventes que permite depositar camadas de perovskita de maneira uniforme, mesmo sobre superfícies de silício texturizadas, em alta velocidade. Os resultados foram publicados na revista “Nature Energy”, conforme informado pela instituição acadêmica em um comunicado.
Segundo a UV, “a energia solar é um dos pilares fundamentais da transição energética”. As células solares do tipo tandem de perovskita e silício oferecem a possibilidade de atingir “eficiências superiores” às das células de silício convencionais. No entanto, sua fabricação em escala industrial constitui um dos “principais desafios”.
As células solares tandem de perovskita-silício combinam dois semicondutores que absorvem diferentes regiões da luz solar. A camada superior de perovskita absorve principalmente a luz azul de alta energia, ou seja, de comprimento de onda curto, enquanto a célula de silício situada abaixo utiliza, sobretudo, as frações de comprimento de onda mais longo.
Dessa forma, as células solares do tipo tandem têm a capacidade de converter mais energia da luz solar em eletricidade do que as células convencionais compostas exclusivamente por silício. No entanto, um dos principais desafios dessa nova tecnologia consiste em depositar a camada de perovskita “de forma reproduzível, uniforme e rápida”.
“Para a fabricação industrial, não conta apenas a eficiência, mas também se um processo é rápido, robusto e escalável”, afirmou o professor Ulrich Paetzold, do Instituto de Tecnologia de Microestruturas e do Instituto de Tecnologia da Luz do KIT. “Conseguimos demonstrar que um processo a vácuo especialmente rápido não apenas gera camadas uniformes, mas também permite obter células solares tandem de perovskita-silício eficientes”, explicou.
O processo de vácuo de alta velocidade baseia-se na sublimação em espaço próximo, conhecida como CSS (Close-Space Sublimation). Nesse processo, os materiais de partida são “sublimados” e chegam até a célula de silício, localizada a apenas alguns milímetros da fonte do material. Lá, eles reagem diretamente para formar uma camada de perovskita. Um aspecto importante do processo CSS é o baixo consumo de matéria-prima por cada conversão. Isso permite utilizar a mesma fonte de material para um grande número de deposições.
"Com essa técnica, somos capazes de depositar materiais orgânicos em alta velocidade e sem solventes, algo difícil de se conseguir com métodos convencionais devido à instabilidade desses materiais em altas temperaturas. Ao reduzir a distância entre o material de partida e o substrato, não só é possível realizar a sublimação a temperaturas mais baixas, como a deposição ocorre muito mais rapidamente”, destacou a coautora Sofía Chozas-Barrientos, da Universitat de València.
“Em nosso trabalho, a conversão foi concluída após apenas dez minutos; para um processo a vácuo, isso representa um avanço importante”, observou a pesquisadora.
A BANDA PROIBIDA DA PEROVSKITA
Além de um revestimento uniforme, a camada superior de perovskita também deve absorver as frações adequadas de luz. Essa propriedade é controlada pela banda proibida do material: a subcélula superior de perovskita deve ter uma banda proibida mais elevada para absorver os fótons de maior energia e deixar passar o restante da luz para a subcélula de silício, alcançando assim um acoplamento eficiente entre ambas.
Como o bromo pode aumentar a banda proibida, a equipe de pesquisa testou inicialmente uma camada precursora inorgânica que continha bromo. No entanto, durante a conversão em perovskita por meio do CSS, a proporção desejada não se manteve no material.
“A solução foi utilizar uma fonte orgânica mista composta por iodeto de metilamônio e brometo de metilamônio”, destaca o coautor Alexander Diercks, que, no âmbito da colaboração no projeto Nexus do Horizon Europe, passou seis meses trabalhando em sua tese de doutorado no grupo do professor Bolink em Valência. “Por meio da proporção entre ambos os componentes, conseguimos controlar o teor de bromo no material final e atingir uma banda proibida de 1,64 elétrons-volts”, acrescentou Diercks.
Para a fabricação industrial, o processo CSS deve ser compatível com diferentes tipos de superfícies de silício, incluindo as texturizadas, comuns no silício industrial e comercial. Estas apresentam estruturas piramidais de um a dois mícrons sobre as quais a luz se reflete, aumentando assim seu percurso dentro da célula e melhorando a absorção.
Por isso, a equipe científica testou o processo CSS em células de silício com superfícies planas e nanotexturizadas, mais comuns em estudos em pequena escala em laboratório, e microtexturizadas, mais representativas do silício industrial. Nas três superfícies, formaram-se camadas de perovskita com propriedades quase idênticas, sem a necessidade de ajustar os parâmetros do processo.
A microscopia eletrônica de varredura e as análises de raios X mostraram uma cobertura uniforme. As células solares em tandem fabricadas com esse processo alcançaram uma eficiência de 23,5% em células de silício planas, de 23,7% em células nanotexturizadas e de 24,3% em células microtexturizadas.
“Isso é muito importante para a escalabilidade”, indicou o professor da Universitat de València Hendrik Bolink. “Um processo que funcionasse apenas em superfícies perfeitamente lisas teria utilidade limitada para aplicações industriais. O fato de a sublimação em espaço próximo gerar camadas uniformes também em células de silício texturizadas torna essa abordagem relevante para a indústria”, destacou.
O estudo é resultado de uma estreita colaboração entre os grupos de pesquisa do KIT e da UV. Também participaram o CONICET-UNL, na Argentina, e a Université Grenoble Alpes/CEA-LITEN, na França.
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