Pesquisadores da Princeton Engineering desenvolveram a primeira célula solar de perovskita com uma vida útil comercialmente viável, marcando um momento importante para uma classe emergente de tecnologia de energia renovável. A equipe projeta que seu dispositivo pode funcionar acima dos padrões da indústria por cerca de 30 anos, mais do que os 20 anos usados como limite de viabilidade para células solares.
O dispositivo não é apenas altamente durável, mas também atende aos padrões comuns de eficiência. É o primeiro de seu tipo a rivalizar com o desempenho das células à base de silício, que dominaram o mercado desde sua introdução em 1954.
As perovskitas são semicondutores com uma estrutura cristalina especial que os torna adequados para a tecnologia de células solares. Eles podem ser fabricados à temperatura ambiente, usando muito menos energia que o silício, tornando-os mais baratos e mais sustentáveis de produzir. E enquanto o silício é rígido e opaco, as perovskitas podem se tornar flexíveis e transparentes, estendendo a energia solar muito além dos painéis icônicos que povoam encostas e telhados em toda a América.
Mas, ao contrário do silício, as perovskitas são notoriamente frágeis. As primeiras células solares de perovskita (PSC), criadas entre 2009 e 2012, duravam apenas alguns minutos. A vida útil projetada do novo dispositivo representa um aumento de cinco vezes em relação ao recorde anterior, estabelecido por um PSC de menor eficiência em 2017. Esse dispositivo funcionou sob iluminação contínua à temperatura ambiente por um ano. O novo dispositivo operaria por cinco anos sob condições de laboratório semelhantes.
A equipe de Princeton, liderada por Lynn Loo, Theodora D. '78 e William H. Walton III '74 Professor de Engenharia, revelou seu novo dispositivo e seu novo método para testar tais dispositivos em um artigo publicado em 16 de junho na Science.
Loo disse que o projeto recorde destacou o potencial durável dos PSCs, especialmente como uma maneira de levar a tecnologia de células solares além dos limites do silício. Mas ela também apontou o resultado da manchete para a nova técnica de envelhecimento acelerado de sua equipe como o significado mais profundo do trabalho.
"Podemos ter o disco hoje", disse ela, "mas alguém virá com um disco melhor amanhã. A coisa realmente empolgante é que agora temos uma maneira de testar esses dispositivos e saber como eles funcionarão no longo prazo."
Devido à fragilidade bem conhecida das perovskitas, os testes de longo prazo não eram uma grande preocupação até agora. Mas à medida que os dispositivos ficam melhores e duram mais, testar um design contra outro se tornará crucial para lançar tecnologias duráveis e amigáveis ao consumidor.
"Este artigo provavelmente será um protótipo para quem procura analisar o desempenho na interseção de eficiência e estabilidade", disse Joseph Berry, membro sênior do Laboratório Nacional de Energia Renovável especializado em física de células solares. "Ao produzir um protótipo para estudar a estabilidade e mostrar o que pode ser extrapolado [através de testes acelerados], está fazendo o trabalho que todos querem ver antes de começarmos os testes de campo em escala. Isso permite que você projete de uma maneira realmente impressionante."
Embora a eficiência tenha acelerado em um ritmo notável na última década, disse Berry, a estabilidade desses dispositivos melhorou mais lentamente. Para que eles se difundam e sejam lançados pela indústria, os testes precisarão se tornar mais sofisticados. É aí que entra o processo de envelhecimento acelerado de Loo.
"Esses tipos de testes serão cada vez mais importantes", disse Loo. "Você pode fazer as células solares mais eficientes do mundo, mas essa característica não vão importar se as células não conseguirem se manter estáveis."
Como eles chegaram aqui
No início de 2020, a equipe de Loo estava trabalhando em várias arquiteturas de dispositivos que deveriam manter uma eficiência relativamente forte, convertendo luz solar suficiente em energia elétrica para torná-los valiosos e resistentes ao ataque de calor, luz e umidade que bombardeiam uma célula solar durante sua vida útil.
Xiaoming Zhao, pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Loo, estava trabalhando em vários projetos com colegas. Os esforços sobrepuseram diferentes materiais para otimizar a absorção de luz, protegendo as áreas mais frágeis da exposição. Eles desenvolveram uma camada de cobertura ultrafina entre dois componentes cruciais: a camada absorvente de perovskita e uma camada transportadora de carga feita de sal cúprico e outras substâncias. O objetivo era evitar que o semicondutor perovskita queimasse em questão de semanas ou meses, o que era comum na época.
É difícil compreender o quão fina é essa camada de cobertura. Os cientistas usam o termo 2D para descrevê-lo, significando duas dimensões, como algo que não tem espessura alguma. Na realidade, tem apenas alguns átomos de espessura - mais de um milhão de vezes menor do que a menor coisa que um olho humano pode ver. Embora a ideia de uma camada de cobertura 2D não seja nova, ainda é considerada uma técnica promissora e emergente. Cientistas do NREL mostraram que as camadas 2D podem melhorar muito o desempenho de longa distância, mas ninguém havia desenvolvido um dispositivo que empurrasse as perovskitas para perto do limite comercial de uma vida útil de 20 anos.
Zhao e seus colegas passaram por dezenas de permutações desses projetos, mudando detalhes minuciosos na geometria, variando o número de camadas e experimentando dezenas de combinações de materiais. Cada projeto foi para a caixa de luz, onde eles poderiam irradiar os dispositivos sensíveis em luz brilhante implacável e medir sua queda no desempenho ao longo do tempo.
No outono daquele ano, quando a primeira onda da pandemia diminuiu e os pesquisadores voltaram aos seus laboratórios para cuidar de seus experimentos em turnos cuidadosamente coordenados, Zhao notou algo estranho nos dados. Um conjunto de dispositivos ainda parecia estar operando perto de sua eficiência máxima.
"Houve basicamente zero queda depois de quase meio ano", disse ele.
Foi quando ele percebeu que precisava de uma maneira de testar seu dispositivo mais rápido do que seu experimento em tempo real permitia.
"A vida útil que queremos é de cerca de 30 anos, mas você não pode levar 30 anos para testar seu dispositivo", disse Zhao. "Então, precisamos de alguma forma de prever esta vida dentro de um prazo razoável. É por isso que este envelhecimento acelerado é muito importante."
O novo método de teste acelera o processo de envelhecimento, iluminando o dispositivo enquanto o explode com calor. Esse processo acelera o que aconteceria naturalmente ao longo de anos de exposição regular. Os pesquisadores escolheram quatro temperaturas de envelhecimento e mediram os resultados nesses quatro fluxos de dados diferentes, desde a temperatura de referência de um dia típico de verão até um extremo de 230 graus Fahrenheit, superior ao ponto de ebulição da água.
Eles então extrapolaram os dados combinados e previram o desempenho do dispositivo à temperatura ambiente ao longo de dezenas de milhares de horas de iluminação contínua. Os resultados mostraram um dispositivo que funcionaria acima de 80% de sua eficiência máxima sob iluminação contínua por pelo menos cinco anos a uma temperatura média de 95 graus Fahrenheit. Usando métricas de conversão padrão, Loo disse que esse é o equivalente em laboratório a 30 anos de operação externa em uma área como Princeton, NJ.
Berry do NREL concordou. "É muito credível", disse ele. "Algumas pessoas ainda vão querer ver isso acontecer. Mas essa é uma ciência muito mais confiável do que muitas outras tentativas de previsão."
O "Michael Jordan" das células solares
As células solares de perovskita foram pioneiras em 2006, com os primeiros dispositivos publicados em 2009. Alguns dos primeiros dispositivos duraram apenas alguns segundos. Outros minutos. Na década de 2010, a vida útil do dispositivo cresceu para dias e semanas e, finalmente, meses. Então, em 2017, um grupo da Suíça publicou um artigo inovador sobre um PSC que durou um ano inteiro de iluminação contínua.
Enquanto isso, a eficiência desses dispositivos disparou no mesmo período. Enquanto o primeiro PSC mostrou uma eficiência de conversão de energia de menos de 4%, os pesquisadores aumentaram essa métrica quase dez vezes em anos.
Foi a melhoria mais rápida que os cientistas viram em qualquer classe de tecnologia de energia renovável até o momento.
Então, por que a pressão por perovskitas? Berry disse que uma combinação de avanços recentes os torna excepcionalmente desejáveis. Possuem níveis de eficiência altíssimos, somadas às extraordinárias possibilidade de "ajustes" que permite aos cientistas fazer aplicações altamente específicas. Com a capacidade de fabricá-los localmente com baixos insumos de energia e agora uma previsão confiável de vida estendida acoplada com um sofisticado processo de envelhecimento para testar uma ampla gama de designs.
Loo disse que não é que os PSCs substituam os dispositivos de silício tanto que a nova tecnologia complementará a antiga, tornando os painéis solares ainda mais baratos, mais eficientes e mais duráveis do que são agora, e expandindo a energia solar para novas áreas incontáveis da vida moderna. Por exemplo, seu grupo demonstrou recentemente um filme de perovskita completamente transparente (com química diferente) que pode transformar janelas em dispositivos de produção de energia sem alterar sua aparência. Outros grupos encontraram maneiras de imprimir tintas fotovoltaicas usando perovskitas, permitindo que os cientistas só agora sonham.
Mas a principal vantagem a longo prazo, de acordo com Berry e Loo: as perovskitas podem ser fabricadas à temperatura ambiente, enquanto o silício é forjado a cerca de 3.000 graus Fahrenheit. Essa energia tem que vir de algum lugar, e no momento isso significa queimar muitos combustíveis fósseis.
"É como Michael Jordan na quadra de basquete", disse Berry. "Ótimo por si só, mas também torna todos os outros jogadores melhores."
Berry acrescentou o seguinte: como os cientistas podem ajustar as propriedades da perovskita de maneira fácil e ampla, eles permitem que plataformas diferentes trabalhem juntas sem problemas. Isso pode ser fundamental no casamento de silício com plataformas emergentes, como filmes finos e fotovoltaicos orgânicos, que também fizeram grandes progressos nos últimos anos.
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Tradução de Elise Gomes
Story Source: Materials provided by Princeton University, Engineering School. Original written by Scott Lyon. Note: Content may be edited for style and length.
Journal Reference:
Xiaoming Zhao, Tianran Liu, Quinn C. Burlingame, Tianjun Liu, Rudolph Holley, Guangming Cheng, Nan Yao, Feng Gao, Yueh-Lin Loo. Accelerated aging of all-inorganic, interface-stabilized perovskite solar cells. Science, 2022; DOI: 10.1126/science.abn5679