Explicado: Por que células solares de perovskita se tornaram estrelas da energia solar

Com informações do MIT - 12/09/2022

As perovskitas são uma grande família de compostos, com as mais diversas aplicações tecnológicas.
[Imagem: Jose-Luis Olivares/Christine Daniloff/MIT]

Revestimentos que captam energia solar

As perovskitas prometem criar painéis solares que podem ser aplicados como revestimento, inclusive em superfícies flexíveis e texturizadas.

Além disso, seriam também painéis solares leves, baratos de produzir e tão eficientes quanto os principais materiais fotovoltaicos atuais, que são principalmente silício.

Um dos últimos obstáculos para que as células solares feitas de perovskita possam ser comercialmente competitivas está na durabilidade, mas recentemente essas células solares flexíveis e transparentes atingiram uma vida útil de 30 anos.

Assim, já é hora de conhecer esse novo material, já que ele provavelmente estará nos painéis solares que você escolherá para sua residência em um futuro muito próximo.

O que é perovskita

O termo perovskita não se refere a um material específico, como o silício ou o telureto de cádmio, outros principais concorrentes no campo fotovoltaico, mas a toda uma família de compostos. A família perovskita de materiais solares recebeu este nome por sua semelhança estrutural com um mineral chamado perovskita, que foi descoberto em 1839 e recebeu o nome do mineralogista russo Lev Alexeievich Perovski [1792-1856].

O mineral perovskita original, que é um óxido de cálcio e titânio (CaTiO₃), tem uma configuração cristalina muito peculiar: Ele tem uma estrutura de três partes, cujos componentes passaram a ser rotulados A, B e X, em que as redes dos diferentes componentes ficam entrelaçadas.

Essa estrutura de redes entrelaçadas consiste em íons ou moléculas carregadas, duas delas (A e B) carregadas positivamente e a outra (X) carregada negativamente. Os íons A e B são tipicamente de tamanhos bastante diferentes, sendo o A maior.

Assim, a família das perovskitas consiste nas muitas combinações possíveis de elementos ou moléculas que podem ocupar cada um dos três componentes e formar uma estrutura semelhante à da própria perovskita original.

"Você pode misturar e combinar átomos e moléculas na estrutura, com alguns limites. Por exemplo, se você tentar colocar uma molécula grande demais na estrutura, você a distorcerá. Eventualmente, você pode fazer com que o cristal 3D se separe em uma estrutura de camadas 2D, ou perder totalmente a estrutura ordenada," explica o professor Tonio Buonassisi, do MIT. "Perovskitas são altamente ajustáveis, como um tipo de estrutura cristalina do tipo 'construa sua própria aventura'."

Indo além das células solares, as perovskitas são a bola da vez da eletrônica.
[Imagem: Luiz Gustavo Bonato]

Quais são as melhores perovskitas?

Dentro da categoria geral de perovskitas, existem vários tipos, incluindo perovskitas de óxido metálico, que encontraram aplicações em catálise e em armazenamento e conversão de energia, como nas células de combustível e nas baterias baterias metal-ar, que são tidas como a solução para os veículos elétricos.

Mas o foco fundamental das pesquisas por mais de uma década tem sido nas perovskitas de haleto de chumbo (ou halogenetos de chumbo).

Dentro dessa categoria, ainda há uma legião de possibilidades, e laboratórios ao redor do mundo estão apostando uma corrida no tedioso trabalho de tentar encontrar as variações que apresentem o melhor desempenho em eficiência, custo e durabilidade - sendo que este último tem sido até agora o mais desafiador dos três.

Muitas equipes também focaram em variações que eliminam o uso de chumbo, para evitar seu impacto ambiental. O professor Buonassisi observa, no entanto, que "de forma consistente ao longo do tempo, os dispositivos baseados em chumbo continuam a melhorar seu desempenho, e nenhuma das outras composições chegou perto em termos de desempenho eletrônico". O trabalho continua na exploração de alternativas, mas por enquanto nenhuma pode competir com as versões de haletos de chumbo.

Uma das grandes vantagens que as perovskitas oferecem é sua grande tolerância a defeitos na estrutura cristalina. Ao contrário do silício, que requer uma pureza extremamente alta para funcionar bem em dispositivos eletrônicos, as perovskitas podem funcionar bem mesmo com inúmeras imperfeições e impurezas.

E que tal um ar-condicionado de estado sólido feito com perovskitas?
[Imagem: Adam Slavney]

Viabilidade econômica

Procurar novas composições promissoras para perovskitas é um pouco como procurar uma agulha no palheiro, mas recentemente os pesquisadores criaram um sistema de aprendizado de máquina que pode agilizar bastante esse processo. Essa nova abordagem pode levar a um desenvolvimento muito mais rápido de novas alternativas, disse Buonassisi, que ajudou a desenvolver esse sistema.

Embora as perovskitas continuem a se mostrar muito promissoras e várias empresas já estejam se preparando para iniciar alguma produção comercial, a durabilidade continua sendo o maior obstáculo que enfrentam.

Enquanto os painéis solares de silício retêm até 90% de sua potência após 25 anos, as perovskitas se degradam muito mais rapidamente. Mas grandes progressos têm sido feitos: As primeiras amostras de células solares de perovskita duravam apenas algumas horas, depois passaram para semanas ou meses, enquanto as formulações mais recentes têm vida útil de até alguns anos, o que já as permite atender a algumas aplicações.

Segundo os cálculos da equipe do professor Buonassisi, graças ao seu custo inicial muito menor, assim que as células solares de perovskitas atinjam uma vida útil sustentada de pelo menos uma década, elas se tornarão economicamente viáveis como substitutas do silício em grande escala, inclusive nas fazendas solares.

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