Artigo em destaque: Perovskitas aditivadas para células solares mais estáveis.


Esquema da célula solar de perovskita desenvolvida pela equipe brasileira.
“Sanduíche” de materiais que forma a célula solar de perovskita desenvolvida pela equipe brasileira.

Graças às contribuições de grupos de pesquisa de diversos países, as células solares baseadas em perovskitas tornaram-se rapidamente competitivas em termos de eficiência de conversão de energia – a porcentagem de energia solar que é convertida em energia elétrica – alcançando valores acima de 25%. Infelizmente, a boa eficiência conquistada para essas células solares não se mantém ao longo de seu tempo de uso, principalmente por causa da instabilidade da sua camada ativa. Composta por materiais da família das perovskitas, essa camada do “sanduíche” de materiais que forma uma célula solar é a responsável por absorver a luz. Face à umidade, e até mesmo à própria luz, a perovskita se degrada e atenta contra a vida útil da célula solar.

O problema tem ocupado muitos pesquisadores da área, entre eles, os do Laboratório de Nanotecnologia e Energia Solar (LNES), da Unicamp, liderado pela professora Ana Flávia Nogueira. Em pesquisa recentemente reportada no Journal of Materials Chemistry C (fator de impacto 7,059), membros do LNES conseguiram produzir filmes de perovskita mais estáveis frente à umidade e iluminação. Com eles, fabricaram células solares que apresentaram perdas de eficiência menores ao longo do tempo.

A adição do copolímero P(EO/EP) melhorou a estabilidade da perovskita de MAPbI3.
A adição do copolímero P(EO/EP) melhorou a estabilidade da perovskita de MAPbI3.

A estratégia adotada foi a de adicionar à perovskita um composto que lhe outorga estabilidade sem interferir negativamente na sua estrutura cristalina, da qual emergem propriedades essenciais para seu uso em células solares. O aditivo escolhido, um copolímero (polímero formado por dois monômeros diferentes), foi adicionado em diferentes concentrações à solução de iodeto de chumbo e iodeto metilamônio, a qual, ao cristalizar, forma um filme de perovskita modificado e mais estável.

Os pesquisadores usaram a técnica de spin coating para preparar filmes de perovskita pura e de perovskita “aditivada”. Em um teste de degradação do material, os autores expuseram as amostras à luz e umidade ambiente durante nove dias e observaram sua degradação, que ficou visível a olho nu pelo amarelamento dos filmes, cuja cor original é quase preta. Nas amostras com aditivo, a degradação foi retardada em alguns dias com relação às amostras de perovskita pura.

Outro teste realizado pela equipe mostrou a capacidade dos filmes de se regenerarem após uma degradação inicial provocada pela exposição a um umidificador. As amostras aditivadas não apenas se degradaram menos, como também se regeneraram de forma espontânea, quase totalmente, trinta segundos após a retirada da fonte de umidade – um fenômeno conhecido como healing– como pode ser visto neste vídeo.

“Neste trabalho foi demonstrado que a incorporação de um copolímero a base de poli(óxido de etileno) à camada de perovskita consegue retardar e, em alguns casos, até reverter o processo de degradação do filme frente a umidade e iluminação”, resume Jeann Carlos da Silva, coautor do artigo.

boxPara estudar detalhadamente a estrutura e composição dos filmes, os autores usaram uma série de técnicas de caracterização, inclusive uma técnica de difração de raios X (in situ GWAXS), disponível no Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), que permitiu monitorar o processo de fabricação dos filmes. A partir do conjunto de resultados da caracterização, os autores conseguiram explicar o mecanismo que gera o efeito protetor nos filmes de perovskita aditivados. De acordo com eles, o efeito ocorre, principalmente, devido à interação que o copolímero realiza, por meio de ligações de hidrogênio, com o cátion metilamônio da perovskita. Nos filmes não aditivados, luz e umidade fazem com que parte do metilamônio passe ao estado gasoso e acabe saindo da estrutura da perovskita, gerando a degradação, parcialmente irreversível.  Já nos filmes aditivados, o copolímero consegue reter o metilamônio, o que gera filmes mais estáveis e com maior capacidade de regeneração.

“Desse estudo, também foi possível investigar a dinâmica de cristalização da perovskita contendo o copolímero e entender os mecanismos de formação perovskita/copolímero em condições de umidade e iluminação”, destaca Francineide Lopes de Araújo, coautora do artigo. “Além disso, através do uso de técnicas de caracterização como a difração de raios-X in situ, o trabalho explora uma área importante para a compreensão do material, oferecendo uma enorme contribuição para a comunidade científica e abrindo novas perspectivas de investigações sobre a aplicação de polímeros no processo de formação e fabricação de células solares de perovskita”, completa.

Finalmente, a equipe científica fabricou células solares usando os filmes de perovskita com e sem aditivo como camada ativa, e comparou sua eficiência de conversão de energia. Inicialmente, a presença do copolímero diminuiu a eficiência dos dispositivos, já que, por ser um material isolante, ele prejudica a transferência de cargas elétricas. Contudo, nos testes de estabilidade, nos quais os dispositivos foram expostos a umidade e luminosidade durante vinte dias, as células de perovskita aditivada tiveram melhor desempenho.

Em números: enquanto as células solares de perovskita pura iniciaram com 17% de eficiência e mantiveram 47% desse valor no final do teste, os dispositivos de perovskita contendo 1,5 mg mL-1 % de copolímero tiveram uma eficiência inicial de cerca de 15%, mas mantiveram 68% dela depois dos 20 dias de teste.

“O problema da estabilidade das células solares de perovskita infelizmente não pôde ser solucionado de maneira definitiva através dessa pesquisa, no entanto, foi explorada uma importante via de proteção do material, principalmente contra exposição agressiva à umidade e iluminação, que futuramente pode ser combinada com outros mecanismos de proteção”, resume Jeann Carlos da Silva. “A pesquisa também reforça a viabilidade de se incorporar compostos extrínsecos à perovskita como agentes de proteção”, completa.

Este trabalho foi iniciado no LNES em 2016, no mestrado de Jeann Carlos da Silva, logo após o desenvolvimento, nesse mesmo laboratório, do primeiro protótipo de célula solar de perovskita do Brasil. A pesquisa foi finalizada através da colaboração da pós doutoranda Francineide Lopes de Araújo e de outros membros e ex-membros do grupo, sempre sob orientação da professora Ana Flávia.

O estudo contou com financiamento das agências brasileiras FAPESP, CNPq e CAPES, e é tema do projeto “Células Solares de Perovskita para Fotossíntese Artificial” do Center for Innovation on New Energies (CINE) com apoio da Shell e da Fapesp.

Autores do artigo. A partir da esquerda: Jeann Carlos da Silva, Francineide Lopes de Araújo, Rodrigo Szostak, Paulo Ernesto Marchezi, Raphael Fernando Moral, Jilian Nei de Freitas e Ana Flávia Nogueira.
Autores do artigo. A partir da esquerda: Jeann Carlos da Silva, Francineide Lopes de Araújo, Rodrigo Szostak, Paulo Ernesto Marchezi, Raphael Fernando Moral, Jilian Nei de Freitas e Ana Flávia Nogueira.

Sócia da SBPMat no advisory board de dois periódicos da Royal Society of Chemistry.


Prof Ana Flávia Nogueira
Prof Ana Flávia Nogueira

A professora Ana Flávia Nogueira (UNICAMP), sócia da SBPMat, passou a integrar neste ano os advisory boards de dois renomados periódicos da área de Materiais, ambos da Royal Society of Chemistry (RSC). Trata-se do Journal of Materials Chemistry A (fator de impacto = 11,301), onde a cientista brasileira é a única representante da América Latina, e o Journal of Materials Chemistry C (fator de impacto = 7,059), onde a professora Ana Flávia e o professor Carlos Graeff, também sócio da SBPMat, são os únicos cientistas de instituições latino-americanas.

Artigo em destaque: Como fazer nanocristais de perovskita mais estáveis para LEDs mais eficientes.


O artigo científico com participação de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: Amine-Free Synthesis of Cesium Lead Halide Perovskite Quantum Dots for Efficient Light-Emitting Diodes. Emre Yassitepe, Zhenyu Yang, Oleksandr Voznyy, Younghoon Kim, Grant Walters, Juan Andres Castañeda, Pongsakorn Kanjanaboos, Mingjian Yuan, Xiwen Gong, Fengjia Fan, Jun Pan, Sjoerd Hoogland, Riccardo Comin, Osman M. Bakr, Lazaro A. Padilha, Ana F. Nogueira, and Edward H. Sargent. Adv. Funct. Mater. 2016. DOI: 10.1002/adfm.201604580.

Como fazer nanocristais de perovskita mais estáveis para LEDs mais eficientes

Nesta imagem ilustrativa, enviada por Emre Yassitepe, pontos quânticos azuis, verdes e vermelhos excitados por radiação ultravioleta exibem uma brilhante luminescência.
Nesta imagem ilustrativa, enviada por Emre Yassitepe, pontos quânticos azuis, verdes e vermelhos excitados por radiação ultravioleta exibem uma brilhante luminescência.

Os pontos quânticos de perovskita vem sendo enxergados como ótimos candidatos para compor uma próxima geração de telas e dispositivos para iluminação. De fato, essas nanopartículas luminescentes são capazes de emitir luz de alto brilho e em cores muito vívidas e puras ao receberem energia externa. Mas o uso tecnológico dos pontos quânticos de perovskita esbarra ainda em algumas limitações, principalmente ligadas à sua instabilidade, pois essas minúsculas partículas rapidamente podem reagir com o meio, aglomerar-se ou aumentar de tamanho, por exemplo.

Uma equipe de cientistas de instituições do Canadá, Brasil e Arábia Saudita encontrou uma solução a um dos problemas que limitam o avanço da pesquisa e desenvolvimento na área, a degradação dos pontos quânticos de perovskita durante sua fabricação. O estudo foi reportado em artigo recentemente publicado no periódico Advanced Functional Materials (fator de impacto: 11,38).

A fabricação dos pontos quânticos de perovskita é tradicionalmente realizada colocando num frasco uma solução com uma série de compostos que, ao reagirem sob determinadas condições, geram nanopartículas de perovskita revestidas (passivadas) com ácido oleico (C18H34O2) e oleilamina (C18H35NH2).

A equipe realizou experimentos e simulações computacionais para compreender como ocorria, passo a passo, a formação dos pontos quânticos de perovskita e, dessa maneira, formular um método de fabricação que evitasse o problema da degradação. Os cientistas perceberam que a chave da solução residia em reformular os “ingredientes” do processo para poder retirar a oleilamina que acabava criando as condições para a degradação dos pontos quânticos, os quais precipitavam para o fundo do frasco.

“Nós focamos no desenvolvimento de uma nova técnica de síntese para passivar pontos quânticos de perovskita com ácido oleico”, diz Emre Yassitepe, pós-doc no Laboratório de Nanotecnologia e Energia Solar do Instituto de Química da Unicamp, que assina o artigo como primeiro autor. “O ácido oleico é um dos ligantes mais usados até o momento para estabilizar pontos quânticos e queríamos ver o impacto na estabilização e no desempenho do LED de diferentes ligantes”, completa.

Seguindo a nova “receita”, a equipe conseguiu produzir pontos quânticos de cerca de 8 nm, revestidos unicamente com ácido oleico, compostos por césio, chumbro e elementos do grupo dos halogêneos e tendo uma estrutura perovskita (que é uma determinada organização dos átomos). Foram produzidos e caracterizados pontos quânticos verdes, de fórmula CsPbBr3), azuis (CsPb(Br,Cl)3) e vermelhos (CsPb(Br,I)3).

Um dos principais ganhos obtidos com o novo método foi a estabilidade coloidal dos pontos quânticos: diferentemente dos pontos quânticos revestidos com oleilamina, eles permaneceram intatos após a etapa da purificação, que remove dos nanocristais os compostos residuais que costumam remanescer do processo de fabricação.

A equipe foi além da fabricação e análise experimental dos pontos quânticos e construiu com eles dispositivos LED (diodos emissores de luz, hoje amplamente utilizado em lâmpadas e telas) emissores de luz verde, azul e vermelha para conferir sua eficiência. Fizeram filmes finos com os pontos quânticos de perovskita conseguidos e colocaram uma camada desse material “sanduichada” entre uma camada de dióxido de titânio, encarregada de transportar elétrons (portadores de carga negativa) e uma camada polimérica, destinada ao transporte dos chamados “buracos” (portadores de carga positiva). Nesse LED, ao se aplicar um campo elétrico, elétrons e buracos se deslocam para a camada de pontos quânticos e acabam excitando-os, fazendo que emitam fótons e gerem, assim, a luz desejada.

O uso de camadas de transporte poliméricas processadas a partir de solução, em vez de camadas processadas a partir de evaporação para fabricar LEDs de perovskita foi uma inovação também possibilitada pela nova “receita”, que tornou os pontos quânticos mais robustos frente a esse tipo de processamento.

Como resultado final, os cientistas conseguiram LEDs azuis e verdes brilhantes e eficientes. Os LEDs de perovskita feitos com pontos quânticos sem oleilamina demonstraram um desempenho melhor, em alguns aspectos, do que os LEDs de perovskita convencionais contendo oleilamina.

autores
Fotos dos autores do artigo de instituições brasileiras. A partir da esquerda: Ana Flávia Nogueira e Emre Yassitepe (Instituto de Química da Unicamp), Juan Andrés Castañeda e Lázaro Padilha (Instituto de Física Gleb Wataghin, Unicamp).

“Demonstramos um novo método de síntese que aumenta a estabilidade coloidal dos pontos quânticos de perovskita ao revesti-los com ácido oleico”, resume Yassitepe. “Esse aumento da estabilidade viabilizou a remoção do excesso de conteúdo orgânico nos filmes finos, o qual atua como isolante entre os pontos quânticos, reduzindo seu desempenho. Ao reduzir os ligantes que estavam em excesso, conseguimos fazer LEDs mais eficientes e processáveis em solução”, conclui o pós-doc.

O trabalho foi realizado com financiamento de agências canadenses, da FAPESP (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo) e da Universidade de Ciência e Tecnologia King Abdullah (Arábia Saudita).  Na Unicamp, foram realizados os experimentos de absorção transiente ultrarrápida e análises por microscopia eletrônica de transmissão para caracterizar os pontos quânticos. A síntese dos nanocristais e a fabricação dos LEDs foi realizada na Universidade de Toronto, no grupo do professor Edward H. Sargent, onde Yassitepe realizou um estágio de um ano dentro de seu pós-doutorado na Unicamp. “Agradeço à FAPESP- Bolsa Estágio de Pesquisa no Exterior for ter me dado esta oportunidade”, diz Yassitepe.

XV B-MRS Meeting: message of the chairladies.


Dear readers,

We look forward to your participation at the XV B-MRS meeting, to be held in September, 25-29, in Campinas, São Paulo. This year the meeting congregates more than 1500 participants, with 2142 accepted abstracts. Fifteen years after the first annual meeting of SBPMat, as it was called then, our figures are impressive, both for the large number of participants and abstracts as well as for the high quality of the scientific contributions, divided in oral and poster presentations.  The current edition of the Annual Meeting covers almost all relevant research areas of Materials Science.

The XV B-MRS Annual Meeting is comprised of 20 Symposia, 2 workshops and 2 Tutorials. The program also includes 7 Plenary Lectures from the most prestigious scientists in cutting edge materials science. The Opening Ceremony will be followed by the Memorial Lecture “Joaquim da Costa Ribeiro”; the renowned scientist Aldo Craievich will talk about the relevance and challenges on advanced materials characterization. Furthermore, in this Meeting program, three discussion panels will take place during lunchtime: Research in Germany, Meet the Editors and Materials Research and Innovation. In particular, the latter will discuss research, development and innovation in industry and the role of innovation agencies and startup ventures.

During the Closing Ceremony, the symposium organizers will honor students with the “Bernard Gross Award” for the best poster and best oral presentations of each Symposium. Awards from the European Materials Research Society (E-MRS) and the American Chemical Society (ACS) will be also granted for best posters and oral contributions.

On behalf of Organizing Committee, we would like to thank the Brazil-MRS staff and board, the funding agencies, the symposium organizers and the local committee members, for their commitment and great effort to make this Meeting possible.

We hope we can all enjoy a very hectic Meeting with stimulating exchange of scientific ideas and results, creating new insights and collaborations, to reach even further quality levels in Materials Science research.

Mônica A. Cotta and Ana Flávia Nogueira

Conference Chairs