Efficient and stable industrial-size perovskite/silicon tandems with long-span bisphosphonic self-assembled molecules
Este estudo introduz uma molécula auto-montada de bisfosfonato de longo alcance (S2) que permite uma cobertura interfacial uniforme e estável em silício texturizado de escala industrial, resultando em células e módulos solares tandem de perovskita/silício com eficiência certificada de 32,6% e alta durabilidade.
Artigo original sob licença CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Esta é uma explicação gerada por IA do artigo abaixo. Não foi escrita nem endossada pelos autores. Para precisão técnica, consulte o artigo original. Ler aviso legal completo
A energia solar tem sido limitada há muito tempo por um teto fundamental: uma única camada de material só consegue capturar uma fatia específica da luz solar, deixando o restante passar ou transformando-o em calor desperdiçado. Para romper essa barreira, cientistas voltaram-se para o empilhamento de duas camadas diferentes de captura de luz uma sobre a outra, criando uma célula tandem. A camada superior é projetada para captar a luz de alta energia, enquanto a camada inferior, geralmente feita de silício, captura a luz de baixa energia que passa através dela. Quando essas duas trabalham juntas, podem, teoricamente, gerar muito mais eletricidade do que um painel solar padrão. No entanto, fazer com que essas células empilhadas funcionem de forma eficiente em uma escala industrial e de grande porte tem se mostrado difícil. A camada de silício inferior não é plana; ela é coberta por pirâmides minúsculas e irregulares para ajudar a aprisionar a luz. Embora essa textura seja boa para capturar a luz solar, ela cria uma paisagem acidentada que é incrivelmente difícil de revestir uniformemente com as delicadas camadas químicas necessárias para fazer a camada superior funcionar. Se o revestimento for irregular, o dispositivo falha, e a promessa de alta eficiência permanece trancada no laboratório.
Uma equipe de pesquisadores resolveu agora este problema de revestimento ao projetar um novo tipo de camada molecular que pode se estender perfeitamente sobre a superfície rugosa do silício, levando a uma eficiência recorde para grandes painéis solares. O cerne do seu sucesso reside em uma molécula construída sob medida que atua como uma ponte auto-montável entre o silício e a camada superior de captura de luz. Tentativas anteriores de criar essas pontes usavam moléculas pequenas que podiam apenas agarrar-se ao silício em um único ponto. Nas cristas e picos irregulares da textura do silício industrial, essas moléculas pequenas não consegravam alcançar o próximo ponto, deixando lacunas e fazendo com que o filme se rompesse. Outros pesquisadores tentaram usar moléculas longas, em forma de cadeia, para cobrir mais terreno, mas estas tendiam a se aglomerar em pilhas desordenadas em vez de formar uma folha suave. O novo design, desenvolvido por cientistas da Universidade de Pequim, Trina Solar e outras instituições, combina o melhor dos dois mundos. Eles criaram uma molécula com uma espinha dorsal longa e flexível que pode se esticar através das pontas afiadas das pirâmides de silício, enquanto suas extremidades são equipadas com dois pontos de ancoragem fortes em vez de um.
Os pesquisadores descobriram que este design específico permite que as moléculas se espalhem uniformemente, cobrindo cada centímetro da superfície texturizada sem aglomerar ou deixar lacunas. Como as moléculas são tão longas e flexíveis, elas podem dobrar-se e conformar-se ao formato do silício, alcançando de um lado ao outro de uma pirâmide. As duas âncoras nas extremidades agarram a superfície firmemente, garantindo que a camada permaneça no lugar mesmo sob calor e estresse. Essa cobertura uniforme é crítica porque permite que a eletricidade flua suavemente da camada superior para a camada inferior sem ficar presa ou vazar. Quando a equipe testou esta nova molécula em ambiente de laboratório em um pequeno pedaço de silício, a célula solar resultante converteu 34,3% da luz solar que a atingia em eletricidade. Este é um salto significativo em relação aos recordes anteriores para este tipo de célula pequena.
Mais importante ainda, a equipe provou que esta abordagem funciona na escala massiva necessária para a geração de energia no mundo real. Eles aplicaram a mesma molécula a uma grande placa de silício, aproximadamente do tamanho de um painel solar industrial padrão, usando uma máquina que reveste a superfície como uma impressora. O grande painel alcançou uma eficiência certificada de 32,6%, que é a maior eficiência já registrada para uma célula solar desse tamanho. Para garantir que esta tecnologia esteja pronta para o mundo real, os pesquisadores submeteram os painéis a condições severas que mimetizam anos de uso ao ar livre. Eles assaram os painéis em alta temperatura e umidade e os submeteram a ciclos de mudanças extremas de temperatura. Após esses testes, os painéis retiveram mais de 90% de sua produção de energia original. Quando instalaram um módulo feito destas células grandes ao ar livre, ele continuou a produzir energia constante ao longo de um mês.
O estudo demonstra que a chave para desbloquear todo o potencial da próxima geração de energia solar não está apenas nos materiais que capturam a luz, mas em como esses materiais estão conectados ao silício abaixo deles. Ao projetar uma molécula que é longa o suficiente para percorrer o terreno acidentado do silício industrial e forte o suficiente para se segurar, os pesquisadores removeram um grande gargalo que mantinha as células solares de alta eficiência confinadas a pequenas amostras de laboratório. Este trabalho sugere que o caminho para uma energia solar mais barata e poderosa está claro, desde que a interface delicada entre as camadas possa ser gerenciada com a mesma precisão que os próprios materiais de captura de luz. Os resultados indicam que estas células tandem não são mais apenas uma possibilidade teórica, mas uma tecnologia viável pronta para a produção em massa.
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