Aditivos volumosos podem fazer com que células solares mais baratas durem mais

11 de janeiro de 2024 (Notícias do Nanowerk) Uma visão sobre a prevenção semicondutores perovskita from degrading quickly, discovered at the University of Michigan, could help enable solar cells estimated to be two to four times cheaper than today’s thin-film solar panels. The findings have been published in Célula (“Molecular Design of Defect Passivators for Thermally Stable Metal Halide Perovskite Films”). Perovskites may also be combined with the silicon-based semiconductors that are prevalent in today’s solar panels to create “tandem” solar cells that could surpass the maximum theoretical efficiency of silicon solar cells. Perovskite solar cells like this one, made by Xiwen Gong’s group, could make solar energy cheaper and more environmentally friendly—but they degrade faster than silicon. In a study published in the journal Matter, the team discovered how to make the black perovskite film last longer. (Image: Zhengtao Hu, Gong Lab, University of Michigan) “Silicon solar cells are great because they are very efficient and can last for a very long time, but the high efficiency comes with a high cost,” said Xiwen Gong, U-M assistant professor of chemical engineering. “To make high-purity silicon, temperatures over 1,000 degrees Celsius are needed. Otherwise, the efficiency won’t be as good.” The high temperature comes with higher economic and environmental costs. But while perovskites can be produced at lower temperatures, they degrade when exposed to heat, moisture and air. As a result, the lifespan of perovskite today is too short to be commercially competitive in solar panels. Gong’s research aims to make hardier perovskite solar cells, and her latest study published in the journal Matter suggests that bulky “defect pacifying” molecules are best at increasing the perovskites’ stability and overall lifespan. Perovskite crystals contain lead atoms that aren’t fully bound to the other components within the perovskite. Such “undercoordinated sites” are defects often found on the crystal surfaces and at grain boundaries where there’s a break in the crystal lattice. These defects hinder the movement of electrons and speed up the decay of the perovskite material. Xiwen Gong’s team designed these three molecular additives to study how an additive’s size and configuration impacts the stability of perovskite films, a class of materials that could be used to make high efficiency, low cost solar cells. Os aditivos podem evitar que defeitos - que prejudicam a eficiência das células solares - cresçam nas quebras da estrutura cristalina da perovskita, conhecidas como limites de grão. A rede de perovskita é mostrada como uma série de diamantes amarelos, enquanto os locais dos defeitos são mostrados como círculos tracejados em azul escuro. As linhas pretas tracejadas representam ligações que podem potencialmente se formar entre perovskita e aditivos. A molécula mais volumosa cobre a maioria dos defeitos na superfície dos grãos de perovskita, ao mesmo tempo que aumenta o tamanho geral dos grãos durante o processo de fabricação. Grãos maiores de perovskita resultam em uma menor densidade de contornos de grãos em todo o filme, o que reduz o número de locais onde os defeitos podem se formar. (Imagem: Carlos A. Figueroa Morales, Gong Lab, Universidade de Michigan) Os engenheiros já sabem que misturar moléculas pacificadoras de defeitos nas perovskitas pode ajudar a bloquear o chumbo subcoordenado, evitando, por sua vez, a formação de outras imperfeições em altas temperaturas. But until now, engineers didn’t know exactly how a given molecule affected the hardiness of perovskite cells. “Queríamos descobrir quais características das moléculas melhoram especificamente a estabilidade da perovskita”, disse Hongki Kim, ex-pesquisador de pós-doutorado em engenharia química e um dos primeiros autores do estudo. To investigate the problem, Gong’s team created three additives with a range of shapes and sizes and added them into thin films of perovskite crystals, which can absorb light and convert it to electricity. Cada aditivo continha blocos de construção químicos iguais ou semelhantes, o que tornava o tamanho, o peso e a disposição as principais propriedades que os diferenciavam. Em seguida, a equipe mediu a intensidade com que os diferentes aditivos interagiam com as perovskitas e, consequentemente, influenciavam a formação de defeitos nos filmes. Moléculas maiores em massa aderiam melhor à perovskita porque tinham mais locais de ligação que interagem com os cristais de perovskita. Como resultado, eles tendem a ser melhores na prevenção da formação de defeitos. Mas os melhores aditivos também precisavam ocupar muito espaço. Moléculas grandes, mas finas, resultaram em grãos menores de perovskita durante o processo de fabricação. Smaller grains aren’t ideal because they also create perovskite cells with more grain boundaries, or more areas for defects to form. Em contraste, moléculas volumosas forçaram a formação de grãos maiores de perovskita, o que por sua vez reduziu a densidade dos limites dos grãos no filme. O aquecimento dos filmes de perovskita a mais de 200 graus Celsius confirmou que aditivos volumosos ajudaram os filmes a reter mais sua cor preta ardósia característica e a desenvolver menos defeitos estruturais.

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• Fonte: https://www.nanowerk.com/news2/green/newsid=64399.php