Stable AgBiS2 near-infrared absorbers for thin film tandem photovoltaics

A luz solar é um vasto e irregular rio de energia, contendo cores que variam desde o violeta que podemos ver até o infravermelho invisível que aquece nossa pele. Por décadas, a maneira mais eficiente de capturar essa energia tem sido usar um único material, como o silício, para transformar luz em eletricidade. Mas um único material atua como um peneira com furos de tamanho fixo; ele captura algumas cores bem, mas deixa outras passarem direto, desperdiçando sua energia na forma de calor. Para capturar mais do rio, cientistas recorreram ao empilhamento de diferentes materiais uns sobre os outros, criando células solares "tandem". Cada camada é ajustada para capturar uma fatia diferente do espectro da luz solar, trabalhando juntas para colher muito mais energia do que uma única camada jamais conseguiria. O desafio sempre foi encontrar os materiais certos para a camada inferior, que deve ser fina, flexível e capaz de capturar as ondas longas e invisíveis da luz infravermelha sem se degradar.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Oxford e seus colaboradores identificou agora um novo material que pode resolver este problema, oferecendo um caminho para células solares que são não apenas mais eficientes, mas também mais baratas e estáveis de fabricar. Eles focaram em um composto chamado sulfeto de prata e bismuto, um material que havia mostrado promessa em células solares de camada única, mas que nunca havia sido usado com sucesso como a camada inferior em um dispositivo tandem empilhado. Os pesquisadores descobriram que este material possui uma vantagem natural: ele pode absorver a luz infravermelha de forma mais eficaz do que o atual candidato principal, uma mistura de chumbo e estanho, e não se decompõe quando exposto ao ar. Ao desenvolverem uma nova maneira de depositar filmes espessos deste material, eles demonstraram as primeiras células solares tandem funcionais usando o sulfeto de prata e bismuto, provando que ele pode ser pareado com outras camadas para criar uma fonte de energia altamente eficiente, estável e escalável.

A jornada para esta descoberta começou com uma simples questão de física. Em uma célula solar tandem, a camada inferior precisa ter um "bandgap" específico, um termo que descreve a quantidade mínima de energia que um material precisa para transformar luz em eletricidade. Se o bandgap for muito alto, o material ignora a luz infravermelha de baixa energia; se for muito baixo, ele desperdiça a energia da luz de alta energia. O bandgap ideal para a camada inferior de uma célula de duas camadas é pouco menos de um elétron-volt e, para uma célula de três camadas, é ainda mais baixo. O padrão atual para a camada inferior em células solares avançadas é uma mistura de chumbo e estanho. Embora esta mistura possa ser ajustada para absorver luz infravermelha, seu bandgap ainda é ligeiramente muito alto para ser perfeito, e o componente de estanho é quimicamente instável, propenso a reagir com o oxigênio e arruinar a célula, a menos que seja feita em um ambiente perfeitamente selado e livre de oxigênio.

Os pesquisadores voltaram sua atenção para o sulfeto de prata e bismuto. Este material possui naturalmente um bandgap de cerca de um elétron-volt, o que é muito mais próximo do valor ideal para uma camada inferior do que a mistura de chumbo e estanho. Ele também é feito de elementos abundantes e não tóxicos e, ao contrário da mistura de chumbo e estanho, é estável no ar normal. No entanto, houve um obstáculo significativo. Em experimentos anteriores, o sulfeto de prata e bismuto funcionava melhor apenas quando fabricado em filmes extremamente finos, de apenas algumas dezenas de nanômetros de espessura. Isso ocorria porque o material tinha um "comprimento de difusão" curto, o que significa que, uma vez que uma partícula de luz criava uma carga elétrica, essa carga não conseguia viajar muito longe antes de se perder. Para uma célula solar funcionar bem, especialmente uma projetada para capturar luz infravermelha, o filme precisa ser muito mais espesso, em torno de cem nanômetros ou mais, para absorver luz suficiente. Se o filme for muito espesso, as cargas ficam presas e a eletricidade para de fluir.

Para superar isso, os pesquisadores desenvolveram um novo método para preparar o material. Em vez de construir o filme camada por camada em um processo lento e tedioso, eles criaram uma tinta líquida contendo minúsculos cristais de sulfeto de prata e bismuto. Eles então trataram esses cristais com uma mistura de agentes químicos, especificamente brometo e iodeto, para limpar e proteger suas superfícies. Esse tratamento, conhecido como troca de ligantes em fase de solução, permitiu que os cristais se unissem firmemente e conduzissem a eletricidade muito melhor. O resultado foi um filme que poderia ser depositado em uma única etapa, tal como espalhar tinta, e que poderia ser feito com 340 nanômetros de espessura sem rachar ou perder sua capacidade de conduzir eletricidade. Este foi um avanço crucial, pois significava que o material poderia finalmente ser espesso o suficiente para capturar a luz infravermelha para a qual foi projetado.

Com este novo filme espesso em mãos, a equipe construiu as primeiras células solares tandem usando o sulfeto de prata e bismuto. Eles criaram dois tipos de dispositivos. O primeiro foi um tandem de "quatro terminais", onde duas células solares separadas foram colocadas uma sobre a outra, mas operam de forma independente, como duas baterias separadas conectadas em um circuito. Eles parearam uma célula inferior de sulfeto de prata e bismuto com uma célula superior feita de um material diferente chamado perovskita. A combinação produziu uma eficiência de quase 24 por cento, um resultado forte que provou que os dois materiais podem trabalhar juntos efetivamente. O segundo tipo foi um tandem "monolítico" ou de "dois terminais", onde as camadas foram fundidas em uma única unidade sólida que atua como uma bateria. Este foi um desafio de engenharia muito maior, exigindo uma camada transparente especial entre as duas células para permitir que a eletricidade flua entre elas sem causar um curto-circuito. Apesar da complexidade, a equipe construiu com sucesso esses dispositivos, mostrando que as voltagens das duas camadas se somavam corretamente, um requisito fundamental para uma célula solar tandem funcional.

As simulações que os pesquisadores realizaram antes de construir os dispositivos sugeriram que o sulfeto de prata e bismuto poderia elevar a eficiência teórica de células solares de três camadas para quase 48 por cento, muito acima do limite de 36 por cento da tecnologia atual de chumbo e estanho. Embora os dispositivos que construíram ainda não tenham atingido esse pico teórico, os resultados experimentais confirmaram que o material funciona e que o novo método de fabricação é viável. A equipe também testou a estabilidade de suas novas células. Eles deixaram dispositivos não selados parados em uma prateleira em ar seco por três meses. Enquanto um dispositivo semelhante feito com a mistura de chumbo e estanho teria perdido a maior parte de sua potência em apenas um dia e meio, as células de sulfeto de prata e bismuto mantiveram mais de 90 por cento de sua eficiência original. Essa durabilidade sugere que futuros painéis solares feitos com este material poderiam ser fabricados em fábricas comuns, sem a necessidade de salas caras e livres de oxigênio, potencialmente reduzindo o custo da energia solar.

Os pesquisadores também observaram o quão fácil seria fabricar esses filmes em grande escala. Eles compararam seu novo método de etapa única com o antigo método de múltiplas etapas e descobriram que a nova abordagem era significativamente mais rápida e barata. Eles escalaram com sucesso seu processo de pequenas amostras de laboratório para painéis maiores, mostrando que o filme permanecia uniforme e livre de defeitos mesmo quando fabricado em uma superfície do tamanho de uma pequena placa. Essa escalabilidade é essencial para passar de uma curiosidade de laboratório para um produto que possa ser usado em telhados ou integrado em edifícios.

O trabalho não significa que o problema esteja completamente resolvido. Os pesquisadores observaram que, mesmo com suas melhorias, as cargas no sulfeto de prata e bismuto ainda ficam presas relativamente rápido, o que limita o quão espesso o filme pode ser e quanta corrente pode gerar. Eles identificaram que o próximo passo é encontrar maneiras de tornar o material ainda mais condutivo, talvez mudando a forma como os cristais são organizados, para que as cargas possam viajar ainda mais longe. No entanto, o estudo estabeleceu um novo caminho claro. Ao provar que o sulfeto de prata e bismuto pode ser transformado em filmes espessos, estáveis e eficientes, e ao demonstrar seu sucesso nas primeiras células solares tandem, a equipe abriu as portas para uma nova geração de tecnologia solar que é mais eficiente, mais estável e potencialmente muito mais barata de produzir do que o que existe hoje.