Texto: Agência FAPESP*
Um conjunto de pesquisas recentes está acelerando o desenvolvimento de células solares baseadas em materiais do grupo das perovskitas. Esses estudos monitoraram, em tempo real e de forma detalhada, as mudanças que acontecem em filmes de perovskita ao longo de processos que influem na degradação precoce desses materiais, um dos principais entraves para a comercialização dessa tecnologia fotovoltaica emergente.
As pesquisas fazem uso de técnicas de análise de materiais denominadas in situ e operando. Em linhas gerais, os experimentos in situ envolvem o estudo dos filmes de perovskita enquanto estão se formando, sem retirá-los do seu ambiente de síntese. Já os experimentos operando se referem ao estudo desses filmes dentro de uma célula solar em funcionamento. Ambos os tipos de técnicas fornecem informações valiosas para melhorar as propriedades das perovskitas e o desempenho das células solares.
Artigo de revisão sobre o tema foi publicado por um grupo de pesquisadores do Centro de Inovação em Novas Energias (CINE) na Chemical Reviews, com destaque na capa do periódico. O CINE é um Centro de Pesquisa em Engenharia (CPE) constituído por FAPESP e Shell e que reúne cientistas de diversas instituições.
O artigo reporta os resultados conseguidos até o momento com o uso de diversas técnicas in situ e operando no estudo de perovskitas. Os autores mostram como esses avanços científicos aceleraram o desenvolvimento da tecnologia, possibilitando, inclusive, produzir filmes de perovskita a partir de técnicas de fabricação que podem ser levadas à escala industrial.
“Nessa área de pesquisa muito competitiva, o fato de termos sido uns dos primeiros grupos a usar técnicas in situ combinadas com luz síncrotron para estudar perovskitas foi importante para sermos hoje mundialmente reconhecidos, como atesta esta publicação na Chemical Reviews”, diz Ana Flávia Nogueira, professora da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) e autora correspondente do artigo.
Desafios
As células solares de perovskita apresentam várias vantagens com relação às tecnologias baseadas em materiais de silício, que hoje dominam o mercado. Além de serem flexíveis e transparentes, elas podem ser fabricadas por meio de processos simples, de baixo custo e impacto ambiental. Reportada pela primeira vez em 2009, a tecnologia apresentava, no início, pouca eficiência, em torno de 4%, na conversão da energia do Sol em eletricidade.
Contudo, graças a avanços científicos realizados em diversos laboratórios do mundo, a eficiência aumentou rapidamente até ultrapassar 25%, alcançando o nível das células solares comerciais em 2021.
Superado o desafio da eficiência, ainda permanece o da degradação, tão importante quanto o primeiro. Os filmes de perovskitas, que nas células solares cumprem a função de capturar fótons e transformá-los em cargas elétricas, são materiais de baixa estabilidade. Quando os filmes são expostos à umidade, à temperatura e à própria luz, sua estrutura e composição sofrem mudanças que impactam as propriedades do material e, portanto, o desempenho do dispositivo. Em outras palavras, os filmes se degradam e a vida útil das células solares se reduz. Dessa forma, torna-se impossível garantir a durabilidade de 20 ou 30 anos esperada para um painel solar.
De acordo com o artigo de revisão, resultados dos estudos in situ realizados até o momento permitiram desenvolver procedimentos que melhoraram a qualidade e as propriedades das perovskitas.
As técnicas possibilitaram, inclusive, fazer ajustes em métodos de fabricação de filmes e células solares de perovskita que podem ser levados à escala industrial. Por sua vez, as técnicas operando permitiram explorar o desempenho e a degradação dessas células solares quando submetidas a diversas condições de operação, como alta umidade, temperatura ou luminosidade.
No final do artigo, os autores apontam alguns caminhos para os futuros estudos in situ e a operação de filmes e células solares de perovskitas. De acordo com eles, é necessário ampliar o uso dessas técnicas e combiná-las com simulações computacionais até encontrar os materiais com as melhores composições e os dispositivos com as melhores arquiteturas para a geração de energia fotovoltaica.
O texto também sugere aos pesquisadores da área o desenvolvimento de métodos in situ que possam operar em condições ambiente para serem usados no controle de qualidade nas futuras fábricas de células solares de perovskita.
O artigo In Situ and Operando Characterizations of Metal Halide Perovskite and Solar Cells: Insights from Lab-Sized Devices to Upscaling Processes pode ser lido em: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.2c00382.
* Com informações do CINE, um Centro de Pesquisa em Engenharia apoiado pela FAPESP.