A maior fonte de energia limpa e inesgotável disponível para nós é o Sol. Para captá-la, utilizamos painéis fotovoltaicos capazes de transformá-la em eletricidade. Mas o verdadeiro segredo dessa extraordinária transformação está nos materiais que compõem os painéis.

Entre eles, o mais popular é o silício. É um material semicondutor que absorve os fótons –partículas de luz– da radiação solar. Uma vez absorvidas, produzem cargas elétricas (buracos ou ausência de elétrons e elétrons) que são extraídas nas células solares, obtendo eletricidade com altíssima eficiência.

No entanto, o silício não é o único material capaz de realizar esse processo. Atualmente temos várias alternativas, já consagradas ou emergentes, que não têm nada a invejar.

Essas tecnologias são divididas em três gerações. A primeira geração se concentra no silício cristalino, a segunda se divide em silício multicristalino, calcogenetos – como o telureto de cádmio (CdTe) ou cobre, índio e gálio selênio (CIGS) – e materiais compostos compostos por elementos dos grupos III-V, como o arseneto de gálio (GaAs).

A primeira e a segunda tecnologias já estão implementadas em edifícios, parques fotovoltaicos ou mesmo na tecnologia aeroespacial.

A terceira geração –e a menos conhecida– é composta por materiais emergentes como células solares sensibilizadas com corantes, células solares orgânicas e, por último, células de perovskita, cujo uso ainda é pouco difundido.

Mais eficiente que o silício

Para comparar as tecnologias fotovoltaicas, devemos olhar para a eficiência de conversão. Este termo refere-se à relação entre a potência de saída do dispositivo e a energia da radiação solar recebida. Seus valores são usados ​​para comparar o desempenho entre células solares e entre tecnologias fotovoltaicas.

O Laboratório Nacional de Energia Renovável dos EUA compara graficamente as mais altas eficiências certificadas em cada tipo de célula solar.

Se analisarmos cuidadosamente o gráfico que acompanha esta nota, vemos que as células solares de perovskita atingiram 25,7% de eficiência, superando o desempenho das células solares de silício multicristalino comerciais (23,3% de eficiência).

As perovskitas, após apenas 15 anos de seu primeiro uso em células solares em 2009, quando obteve apenas 3,8% de eficiência, conseguiram ser a tecnologia fotovoltaica mais promissora entre todas as tecnologias emergentes e comerciais.

O que há de especial na perovskita?

Veremos o que é o material perovskita, suas características e particularidades. O termo está ligado à descoberta, no século XIX, do mineral trióxido de cálcio e titânio (CaTiO₃), cuja estrutura cristalina é uma rede tridimensional formada pela combinação de elementos da forma ABX3. Essa estrutura foi chamada de perovskita em homenagem ao mineralogista Lev Alekseyevich von Perovski e a partir de então todos os materiais com essa estrutura cristalina são chamados por esse nome.

Existem várias famílias com esta estrutura cristalina, por exemplo à base de óxidos ou halogenetos. Os materiais desta última família (halogenetos) são os mais promissores para a absorção eficiente da energia solar. Especificamente, são materiais híbridos orgânico-inorgânicos, formados pela combinação de:

A: metilamónio, formamidínio ou césio.

B: um metal como chumbo, estanho.

X: um haleto como cloro, bromo ou iodo.

Esses materiais híbridos apresentam algumas propriedades ópticas e elétricas fascinantes, como absorção altamente eficiente de luz ultravioleta e visível, rápida dissociação de excitons – par buraco-elétron criado em um semicondutor após a absorção de fótons de luz – em cargas livres devido a sua baixa energia de ligação do exciton e, finalmente, um alto comprimento de difusão dessas cargas livres para poder ser extraída no dispositivo fotovoltaico.

Além disso, modificando a composição em A, B e/ou X com compostos ou combinações químicas puras, podemos modular à vontade as propriedades elétricas deste material (as bandas de energia e seus correspondentes gap gap) intimamente relacionadas com as propriedades ópticas de o material modulando a fração da radiação incidente que irá absorver.

Como são feitos esses materiais?

Existem muitas maneiras de fabricar perovskitas por dissolução dos precursores ou por evaporação térmica dos mesmos no vácuo, e com técnicas laboratoriais ou industriais.

Spin-coating é uma técnica de laboratório que consiste em adicionar uma pequena quantidade de líquido a um substrato. A camada fina é criada girando removendo o excesso de líquido por centrifugação.

Roll to roll (R2R) é um processo industrial no qual os substratos são rolos contínuos onde a camada fina é impressa em uma prensa rotativa, técnica amplamente utilizada na impressão de jornais ou folhetos.

Este material não requer tratamentos térmicos de alta temperatura, portanto, células solares ou tecidos flexíveis podem ser fabricados. Além disso, possui um alto desempenho mantendo uma certa transparência, ideal para sua possível instalação em janelas. Além disso, o baixo custo dos precursores necessários para sua produção é mais um incentivo para o desenvolvimento dessa nova tecnologia fotovoltaica.

Então, quando poderemos aproveitar as maravilhosas propriedades da perovskita em nosso dia a dia? Existem ainda alguns aspetos a melhorar, como a presença de chumbo e a sua estabilidade.

O chumbo é essencial para alcançar a alta eficiência desejada e sua quantidade é mínima no dispositivo. Outros materiais alternativos de perovskita estão sendo desenvolvidos atualmente com elementos como estanho substituindo o chumbo.

Finalmente, o problema da estabilidade pode ser resolvido usando técnicas de encapsulamento nas quais o uso de um agente encapsulante (por exemplo, a combinação de uma resina epóxi e vidro) impedirá a entrada de umidade e, portanto, sua degradação.

Originalmente publicado em The Conversation (https://theconversation.com/los-secretos-de-la-perovskita-199914).

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