Perovskite Solar Cell

o que é um perovskite?

um perovskita é um material que tem a mesma estrutura cristalina que o mineral óxido de cálcio e titânio, o primeiro cristal perovskita descoberto. Geralmente, compostos perovskitas têm uma fórmula química ABX3, onde ‘a’ e ‘B’ representam catiões e X é um anião que se liga a ambos. Um grande número de elementos diferentes podem ser combinados para formar estruturas perovskitas. Usando esta flexibilidade de composição, os cientistas podem projetar cristais perovskite para ter uma grande variedade de características físicas, ópticas e elétricas. Cristais Perovskite são encontrados hoje em máquinas de ultrassom, chips de memória e agora – células solares.

energia Limpa aplicações de perovskites

Todas as células solares fotovoltaicas dependem de semicondutores — materiais no meio do caminho entre isoladores elétricos, tais como o vidro e condutores metálicos, tais como cobre — para transformar a energia da luz em eletricidade. A luz do sol excita elétrons no material semicondutor, que fluem para a condução de eletrodos e produzem corrente elétrica.O silício tem sido o principal material semicondutor usado em células solares desde a década de 1950, já que suas propriedades semicondutoras se alinham bem com o espectro dos raios solares e é relativamente abundante e estável. No entanto, os grandes cristais de silício usados em painéis solares convencionais exigem um processo de fabricação caro, multi-etapas que utiliza muita energia. Na busca de uma alternativa, os cientistas têm aproveitado a tunibilidade dos perovskitas para criar semicondutores com propriedades semelhantes ao silício. As células solares perovskitas podem ser fabricadas usando técnicas de deposição simples e aditivas, como a impressão, por uma fração do custo e da energia. Devido à flexibilidade de composição dos perovskitas, eles também podem ser sintonizados para combinar idealmente com o espectro do sol.

In 2012, researchers first discovered how to make a stable, thin-film perovskite solar cell with light photon-to-electron conversion eficiências over 10%, using lead halide perovskites as the light-absorbing layer. Desde então, a eficiência de conversão luz solar em energia elétrica das células solares perovskitas disparou, com o registro laboratorial de 25,2%. Pesquisadores também estão combinando células solares perovskitas com células solares de silício convencionais-registram eficiências para estas células tandem ” perovskite em silício são atualmente 29,1% (superando o recorde de 27% para as células de silício convencionais) e aumentando rapidamente. Com esta rápida onda de eficiência celular, células solares perovskite e células solares perovskite tandem podem em breve tornar-se baratas, altamente eficientes alternativas às células solares de silício convencional.

quais são os objectivos actuais da investigação?Enquanto as células solares perovskitas, incluindo perovskite em tandems de Silício, estão sendo comercializadas por dezenas de empresas em todo o mundo, ainda existem desafios básicos de Ciência e engenharia para enfrentar que podem melhorar o seu desempenho, confiabilidade e capacidade de fabricação.

alguns pesquisadores perovskitas continuam a empurrar eficiências de conversão caracterizando defeitos no perovskite. Enquanto os semicondutores perovskitas são notavelmente tolerantes a defeitos, defeitos ainda afetam negativamente o desempenho-especialmente aqueles que ocorrem na superfície da camada ativa. Outros pesquisadores estão explorando novas formulações químicas perovskitas, tanto para sintonizar suas propriedades eletrônicas para aplicações específicas (como pilhas de células tandem), ou ainda melhorar sua estabilidade e vida útil.Pesquisadores também estão trabalhando em novos projetos de células, novas estratégias de encapsulação para proteger os perovskitas do meio ambiente, e para entender caminhos básicos de degradação para que eles possam usar estudos de envelhecimento acelerado para prever como as células solares perovskitas vão durar nos telhados. Outros estão explorando rapidamente uma variedade de processos de fabricação, incluindo como adaptar as “tintas” perovskitas aos métodos de impressão de soluções em larga escala estabelecidos. Finalmente, enquanto os perovskitas com melhor desempenho são hoje feitos com uma pequena quantidade de chumbo, os pesquisadores também estão explorando composições alternativas e novas estratégias de encapsulação, a fim de mitigar preocupações associadas à toxicidade do chumbo.

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Como É que a CEI avança perovskites?Cristais de Perovskite apresentam defeitos de escala atômica que podem reduzir a eficiência de conversão solar. O Cientista-Chefe e professor de química David Ginger desenvolveu técnicas de” passivação”, tratando os perovskitas com diferentes compostos químicos para curar esses defeitos. Mas quando cristais de perovskite são montados em células solares, os eletrodos de coleta de corrente podem criar defeitos adicionais. Em 2019, Ginger e colaboradores da Georgia Tech receberam financiamento dos EUA. Departamento de Energia Solar Energy Technologies Office (SETO) para desenvolver novas estratégias de passivação e novos materiais de coleta de carga, permitindo que as células solares perovskitas para atingir o seu pleno potencial de eficiência, ainda permanecendo compatível com a fabricação de baixo custo.

o professor de Química Daniel Gamelin e seu grupo pretendem modificar células solares de silício com revestimentos perovskitas para coletar fótons de alta energia de luz azul de forma mais eficiente, contornando o limite teórico de conversão de 33% para células de silício convencionais. Gamelin e sua equipe desenvolveram pontos quânticos perovskite-pequenas partículas milhares de vezes menores que um cabelo humano — que podem absorver fótons de alta energia e emitir o dobro de fótons de baixa energia, um processo chamado “corte quântico”.”Cada fóton absorvido por uma célula solar gera um elétron, então o revestimento do ponto quântico perovskite poderia aumentar drasticamente a eficiência da conversão.Gamelin e sua equipe formaram uma empresa de spin-off chamada BlueDot Photonics para comercializar a tecnologia. Com o financiamento da SETO, Gamelin e BlueDot estão desenvolvendo técnicas de deposição para criar filmes finos de materiais perovskite para células solares de grande área e para melhorar células solares de silício convencionais.

o professor de Engenharia Química Hugh Hillhouse está usando algoritmos de aprendizagem de máquinas para ajudar a pesquisa de perovskitas. Usando fotoluminescência capturada por vídeo de alta velocidade, Hillhouse e seu grupo estão testando uma variedade de perovskitas híbridos para a estabilidade a longo prazo. Estes experimentos geram enormes conjuntos de dados, mas usando a aprendizagem de máquinas, eles visam gerar um modelo preditivo de degradação para as células solares perovskitas. Este modelo pode ajudá-los a otimizar a composição química e a estrutura de uma célula solar perovskita para a estabilidade a longo prazo — uma barreira chave para a comercialização.

nos bancos de testes de energia limpa de Washington, uma instalação de laboratório de Acesso Aberto operado pela CEI, pesquisadores e empresários podem utilizar equipamentos de última geração para desenvolver, testar e escalar tecnologias como células solares perovskitas. Utilizando o rolo para enrolar a impressora nos bancos de ensaio, as tintas perovskitas podem ser impressas a baixas temperaturas em substratos flexíveis. O diretor técnico de bancos de ensaio J. Devin MacKenzie, um professor de ciência dos materiais & engenharia e engenharia mecânica na UW, é um especialista em materiais e técnicas para produção de alta produção e baixa pegada de carbono. Um dos projetos mais ativos de seu grupo, também financiado pela SETO, está desenvolvendo instrumentos in situ que podem medir o crescimento dos cristais perovskitas, pois eles estão sendo rapidamente depositados durante a impressão roll-to-roll. Com o apoio do Joint Center for the Development and Research of Earth Abundant Materials (JCDREAM), o grupo de MacKenzie também está usando a impressora de maior resolução do mundo para desenvolver novos eletrodos para puxar a corrente elétrica das células solares perovskitas sem bloquear a luz solar de entrar na célula.