Perovskitas aditivadas para células solares mais estáveis
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 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.
Para 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.
