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

O artigo científico de autoria de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: Effect of the incorporation of poly(ethylene oxide) copolymer on the stability of perovskite solar cells. Jeann Carlos da Silva, Francineide Lopes de Araújo, Rodrigo Szostak, Paulo Ernesto Marchezi, Raphael Fernando Moral, Jilian Nei de Freitas  and  Ana Flávia Nogueira. J. Mater. Chem. C, 2020,8, 9697-9706.

Perovskitas aditivadas para células solares mais estáveis

"Sanduíche" de materiais que forma a 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.

Boletim da SBPMat – 54ª edição.

 

Saudações !

Edição nº 54 – 27 de fevereiro de 2017

Notícias da SBPMat
  • Young Researcher Award. SBPMat lança prêmio para pós-docs em parceria com a E-MRS. A submissão de candidaturas está aberta. Aqui.
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XVI Encontro da SBPMat/ XVI B-MRS Meeting
  • Simpósios. A lista de simpósios aprovados estará no site do evento no início de março. 
  • Organização. Conheça o comitê organizador. Aqui.
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Artigo em destaque

Uma equipe com participação de pesquisadores da Unicamp desenvolveu uma “receita” inovadora para fabricar nanocristais de perovskita luminescentes (pontos quânticos) que podem ser purificados sem se degradarem. Com os robustos nanocristais, a equipe fabricou LEDs brilhantes e eficientes de arquitetura inovadora. O trabalho foi reportado em paper publicado na Advanced Functional Materials.  Veja nossa matéria de divulgação.

Gente da comunidade

Entrevistamos Aloísio Nelmo Klein, professor da UFSC, onde foi um dos introdutores da pesquisa e ensino em Materiais. Com mais de 60 patentes e um histórico de interação com empresas, Klein se define como um pesquisador convencido de que a ciência é uma das principais forças motrizes para o desenvolvimento de uma nação. Saiba mais sobre a história deste pesquisador, desde sua infância numa vila de descentes de alemães no Rio Grande do Sul até o presente, e veja a mensagem que deixou para os leitores mais jovens. Veja a entrevista.

Ex-presidentes da SBPMat Elson Longo (UNESP, UFSCar) e José Arana Varela (in memoriam) são homenageados por meio dos nomes de dois novos laboratórios da UFPel. Saiba mais.

Dicas de leitura
  • Inovações tecnológicas feitas no Brasil em aços usados em motores elétricos e transformadores melhoram a eficiência energética. Aqui.
  • Colaboração do LNNano (CNPEM) com usina de álcool gera tecnologia de transformação do bagaço de cana em carvão ativo, que pode ser usado na purificação de água e ar. Aqui.
  • Visando a aplicações aeroespaciais, equipe com participação brasileira estuda o que acontece com nanotubos durante impactos em alta velocidade e melhora o material. Aqui.
Oportunidades
  • Oportunidades para pesquisadores no CNPEM. Aqui.
  • Inscrições abertas para o Young Research Award, prêmio da SBPMat em parceria com a E-MRS para pós-docs. Aqui.
Próximos eventos da área
  • Pan-American Polymer Science Conference (PanPoly). Guarujá, SP (Brasil). 22 a 24 de março de 2017. Site.
  • 9th International Conference on Materials for Advanced Technologies. Suntec (Cingapura). 18 a 23 de junho de 2017. Site. 
  • XXXVIII Congresso Brasileiro de Aplicações de Vácuo na Indústria e na Ciência (CBRAVIC) + III Workshop de Tratamento e Modificação de Superfícies (WTMS). São José dos Campos, SP (Brasil). 21 a 25 de agosto de 2017. Facebook.
  • IUMRS-ICAM 2017. Kyoto (Japão). 27 de agosto a 1º de setembro de 2017. Site.
  • XVI Encontro da SBPMat/ XVI B-MRS Meeting. Gramado, RS (Brasil). 10 a 14 de setembro de 2017. Site.

Você pode divulgar novidades, oportunidades, eventos ou dicas de leitura da área de Materiais, e sugerir papers, pessoas e temas para as seções do boletim. Escreva para comunicacao@sbpmat.org.br.
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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.

Science without Borders Postdoctoral Fellowship for NREL-USA in Perovskite or Organic semiconductors.

The National Renewable Energy Laboratory (NREL), located at the foothills of the Rocky Mountains in Golden, Colorado is the U.S. primary laboratory for research and development of renewable energy and energy efficiency technologies.

The Science without Borders is a large scale nationwide scholarship program primarily funded by the Brazilian federal government. The program seeks to strengthen and expand the initiatives of science and technology, innovation and competitiveness through international mobility of undergraduate and graduate students and researchers.

We would like to offer the opportunity for outstanding Postdoctoral Researchers to come to NREL through the Brazil-US Consortium for Innovation in Energy Materials (CINEMA) initiative under the Brazilian Science Without Borders program to develop research activities within NREL’s Chemical Sciences and Nanoscience Division in the area of Perovskites and Organic semiconductors.

1) Our current research activities on perovskite-based PVs focuses on (a) solution processing of halide perovskites, (b) fabrication of planar and mesostructured perovskite cells, and (c) fundamental understanding of charge transport and recombination. Our objective is to understand material effects on the basic physical and chemical processes that are important to device operations. The insight learned from the basic studies will be used as guide to control material properties and to develop more effective device architectures. Examples of our recent publications on perovskites include [1] J. Phys. Chem. Lett., 5, 490–494 (2014); [2] Chem. Commun., 50, 1605–1607 (2014); [3] J. Phys. Chem. Lett., 4, 2880–2884 (2013).

2) Fundamental research topics of particular interest for organic semiconductors include the structural characterization of organic materials in the solid state by X-ray or Neutron scattering methods, transient photoconductivity for the study of photoinduced charge generation and decay dynamics in novel donor:acceptor materials and device-based methods for charge mobility and recombination studies. As to more applied device level research, we are also interested in developing novel electrical contact architectures for upscaling OPV devices. Some of our relevant publications in organic semiconductors and devices include [1] ChemPhysChem (2014), accepted. DOI: 10.1002/cphc.201301022; [2] Adv. Funct. Mater., 22 (2012) 4115; [3] Macromolecules 46 (2013) 1350; [4] Organic Electronics 12 (2011) 108.

Postdoctoral candidates from Brazil willing to develop research activities in areas relevant to the projects above are strongly encouraged to apply. Candidates will be expected to communicate their results through journal publications and conference presentations. In general, to be considered, candidates should have a demonstrated track record of success in addressing fundamental science questions and devising solutions to challenging problems, a Ph.D degree in related field and a strong record of publications/presentations will be a plus.

Send inquires to alexandre.nardes@nrel.gov and to apply, please, send CV along with a list of publications, and the names of at least three professional references to the same e-mail address (subject: “PostDoc Brazil”). Note deadlines for applications at http://www.cienciasemfronteiras.gov.br