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A célula solar com a camada de ferroceno destacada. Crédito: Li et al. 2022
Novos dispositivos de células solares que são mais baratos e mais fáceis de fabricar poderão em breve chegar ao mercado graças aos materiais fabricados em Colégio Imperial de Londres.
As células solares tradicionais são feitas de silício, que apresenta alta eficiência e estabilidade, mas é muito caro de produzir e só pode ser fabricado em painéis rígidos.
As células solares de perovskita oferecem uma alternativa intrigante; eles podem ser impressos a partir de tintas, o que os torna de baixo custo, finos, leves, de alta eficiência e flexíveis. No entanto, ficaram atrás das células solares de silício em termos de eficiência e, mais importante ainda, de estabilidade, quebrando em circunstâncias ambientais normais.
Novos materiais contendo metal, chamados ferrocenos, podem ajudar a resolver esses problemas. Pesquisadores da City University of Hong Kong (CityU) adicionaram ferrocenos de fabricação imperial em células solares de perovskita, melhorando enormemente sua eficiência e estabilidade. Os resultados são publicados hoje (21 de abril de 2022) na revista Ciência.
O co-autor principal, Professor Nicholas Long, do Departamento de Química do Imperial, disse: “As células de silício são eficientes, mas caras, e precisamos urgentemente de novos dispositivos de energia solar para acelerar a transição para a energia renovável. Células de perovskita estáveis e eficientes poderiam, em última análise, permitir que a energia solar fosse usada em mais aplicações – desde fornecer energia ao mundo em desenvolvimento até carregar uma nova geração de dispositivos vestíveis.
“Nossa colaboração com colegas em Hong Kong foi maravilhosamente fortuita, surgindo depois que dei uma palestra sobre novos compostos de ferroceno e conheci o Dr. Zonglong Zhu da CityU, que me pediu para enviar algumas amostras. Dentro de alguns meses, a equipe da CityU nos disse que os resultados eram animadores e nos pediu para enviar mais amostras, iniciando um programa de pesquisa que resultou em dispositivos de perovskita que são mais eficientes e mais estáveis.”
O poder dos ferrocenos
A perovskita forma a camada de “coleta de luz” dos dispositivos de células solares. No entanto, estes dispositivos têm sido menos eficientes na conversão de energia solar em electricidade do que as células solares à base de silício, principalmente porque os electrões são menos “móveis” – são menos capazes de se moverem da camada de colheita para as camadas de conversão de electricidade.
Ferrocenos são compostos com ferro no centro, rodeados por anéis de carbono. A estrutura única do ferroceno foi reconhecida pela primeira vez pelo professor Geoffrey Wilkinson, ganhador do Prêmio Nobel do Imperial, em 1952, e os ferrocenos ainda estão sendo pesquisados em todo o mundo hoje por suas propriedades únicas.
Uma propriedade que sua estrutura lhes confere é a excelente riqueza de elétrons, que neste caso permite que os elétrons se movam mais facilmente da camada de perovskita para as camadas subsequentes, melhorando a eficiência da conversão de energia solar em eletricidade.
Testes realizados pela equipe CityU e em laboratórios comerciais mostram que a eficiência dos dispositivos de perovskita com camada de ferroceno adicionada pode chegar a 25%, aproximando-se da eficiência das células de silício tradicionais.
Dois pássaros com uma pedra
Mas este não é o único problema que os materiais à base de ferroceno resolveram. A equipe do Imperial tem feito experiências com a ligação de diferentes grupos químicos aos anéis de carbono do ferroceno, e depois de enviar à equipe de Hong Kong várias versões destes, feitas pela estudante de doutorado Stephanie Sheppard, os colaboradores descobriram uma versão que melhora significativamente a ligação do camadas de perovskita para o resto do dispositivo.
Esta potência de fixação adicional melhorou a estabilidade dos dispositivos, o que significa que mantiveram mais de 98% da sua eficiência inicial após funcionarem continuamente na potência máxima durante 1.500 horas. A eficiência e a estabilidade obtidas graças à adição de uma camada de ferroceno aproximam estes dispositivos de perovskita dos atuais padrões internacionais para células de silício tradicionais.
O pesquisador principal, Dr. Zonglong Zhu, da CityU, disse: “Somos a primeira equipe a impulsionar com sucesso a célula solar de perovskita invertida para uma eficiência recorde de 25% e passar no teste de estabilidade estabelecido pela Comissão Eletrotécnica Internacional”.
A equipe patenteou seu design e espera licenciá-lo, eventualmente trazendo seus dispositivos de perovskita ao mercado. Enquanto isso, eles estão experimentando diferentes designs de ferroceno para melhorar ainda mais o desempenho e a estabilidade dos dispositivos.
Referência: “Interfaces funcionalizadas organometálicas para células solares de perovskita invertida altamente eficientes” por Zhen Li, Bo Li, Xin Wu, Stephanie A. Sheppard, Shoufeng Zhang, Danpeng Gao, Nicholas J. Long e Zonglong Zhu 21 de abril de 2022, Ciência.
DOI: 10.1126/science.abm8566