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Pesquisa pode levar a células solares com maior vida útil

Fonte

UCLA | Universidade da Califórnia em Los Angeles

Data

terça-feira, 20 dezembro 2022 06:05

Áreas

Energia. Engenharia Ambiental. Inovação. Materiais. ODS. Sustentabilidade. Tecnologias.

Em meio a todos os esforços para converter o suprimento de energia para fontes renováveis, a energia solar ainda representa pouco menos de 3% da eletricidade gerada nos EUA. Em parte, isso se deve ao custo relativamente alto de produzir células solares.

Uma maneira de reduzir o custo de produção seria desenvolver células solares que usassem materiais mais baratos do que os atuais modelos baseados em silício. Para conseguir isso, alguns engenheiros se concentraram na perovskita haleto, um tipo de material tecnológico com cristais repetidos em forma de cubos.

Em teoria, as células solares baseadas em perovskita poderiam ser feitas com matérias-primas que custam menos e são mais prontamente disponíveis do que o silício; elas também poderiam ser produzidas usando menos energia e com um processo de fabricação mais simples. Mas até agora, um obstáculo encontrado é o fato de que a perovskita se decompõe com a exposição à luz e ao calor – o que é particularmente problemático para dispositivos destinados a gerar energia a partir do sol.

Recentemente, uma colaboração internacional de pesquisa liderada pela Universidade da Califórnia em Los Angeles (UCLA), nos Estados Unidos, desenvolveu uma maneira de usar perovskita em células solares, protegendo-a das condições que causam sua deterioração. Em um estudo publicado na revista científica Nature Materials, os cientistas adicionaram pequenas quantidades de íons – átomos eletricamente carregados – de um metal chamado neodímio diretamente à perovskita.

Eles descobriram não apenas que a perovskita ‘aumentada’ era muito mais durável quando exposta à luz e ao calor, mas também que convertia a luz em eletricidade com mais eficiência.

“A energia renovável é extremamente importante. A perovskita mudará o jogo porque pode ser produzida em massa de uma forma que o silício não pode, e identificamos um aditivo que tornará o material melhor”, disse o Dr. Yang Yang, professor de engenharia da Escola de Engenharia da UCLA, membro do California NanoSystems Institute e autor sênior do estudo.

A capacidade da perovskita de haleto de converter luz em eletricidade se deve à maneira como suas moléculas formam uma grade repetida de cubos. Essa estrutura é mantida unida por ligações entre íons com cargas opostas. Mas a luz e o calor tendem a fazer com que íons carregados negativamente saiam da perovskita, o que danifica a estrutura do cristal e diminui as propriedades de conversão de energia do material.

O neodímio é comumente usado em microfones, alto-falantes, lasers e vidros decorativos. Seus íons são do tamanho certo para permanecerem dentro de um cristal cúbico de perovskita e carregam três cargas positivas, que os cientistas supuseram que ajudariam a manter os íons carregados negativamente no lugar.

Os pesquisadores adicionaram cerca de oito íons de neodímio para cada 10.000 moléculas de perovskita e depois testaram o desempenho do material em células solares. Trabalhando com potência máxima e exposta à luz contínua por mais de 1.000 horas, uma célula solar usando a perovskita aumentada manteve em cerca de 93% sua eficiência na conversão de luz em eletricidade. Em contraste, uma célula solar usando perovskita padrão perdeu metade de sua eficiência de conversão de energia após 300 horas nas mesmas condições.

A equipe também lançou luz contínua em células solares sem nenhum equipamento consumindo energia, o que acelera a degradação da perovskita. Um dispositivo usando perovskita com neodímio manteve 84% de sua eficiência de conversão de energia após mais de 2.000 horas, enquanto um dispositivo com perovskita padrão não reteve nada de sua eficiência após esse período de tempo.

Para testar a capacidade do material de suportar altas temperaturas, os pesquisadores aqueceram células solares com ambos os materiais a cerca de 82^oC. A célula solar com perovskita aumentada manteve cerca de 86% de sua eficiência após mais de 2.000 horas, enquanto um dispositivo de perovskita padrão perdeu completamente sua capacidade de converter luz em eletricidade durante esse período.

Acesse o resumo do artigo científico (em inglês).

Acesse a notícia completa na página da Universidade da Califórnia em Los Angeles (em inglês).

Fonte: Wayne Lewis, UCLA. Imagem: Laboratório do Dr. Yang Yang, UCLA.