Material sintetizado em laboratório pode baratear energia solar

Perovskita, classe de materiais cristalinos com potencial de aplicação no campo da tecnologia fotovoltaica, tem sido estudada por pesquisadores da Unicamp vinculados ao Centro de Inovação em Novas Energias

José Tadeu Arantes | Agência FAPESP – Graças ao seu potencial de aplicação no campo da tecnologia fotovoltaica, as perovskitas são um dos materiais funcionais mais estudados na atualidade. Células solares de perovskitas já alcançam uma eficiência de 25% na conversão de energia luminosa em elétrica, ultrapassando o porcentual das células de silício policristalino – ainda as mais comercializadas no mundo. O grande diferencial da nova tecnologia é a fabricação mais simples, barata e menos impactante para o meio ambiente.

“As células de silício só podem ser fabricadas em ambientes com elevado controle de particulados e demandam temperaturas que vão a mais de 1.500º C. Por isso, embora seu preço tenha caído bastante nos últimos anos, os painéis solares à base de silício são muito caros. Em nosso laboratório, estamos produzindo filmes de perovskita a partir de soluções, também chamadas de tintas, em temperatura ambiente”, disse Ana Flávia Nogueira, professora do Instituto de Química da Universidade Estadual de Campinas (IQ-Unicamp) e pesquisadora responsável pela Divisão de Portadores Densos de Energia do Centro de Inovação em Novas Energias (CINE).

O CINE é um Centro de Pesquisa em Engenharia (CPE) constituído pela FAPESP e pela Shell.

Juntamente com os pesquisadores Hélio Tolentino e Raul de Oliveira Freitas, do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), Nogueira coordenou um estudo de caracterização de filmes de perovskita híbrida. O trabalho resultou no artigo Nanoscale mapping of chemical composition in organic-inorganic hybrid perovskite films, publicado no periódico Science Advances, do grupo Science.

O estudo foi realizado com apoio da FAPESP durante o doutorado de Rodrigo Szostak.

“Nos últimos cinco anos, houve uma corrida de todos os grupos de pesquisa para ver quem conseguia a maior eficiência. Estamos próximos do limite teórico de eficiência, em torno de 30%. No entanto, a tendência atual é dar um passo atrás para entender melhor esses materiais. O trabalho realizado por Szostak está inserido nessa nova tendência. A técnica empregada por ele, que envolve luz síncrotron e nanoespectroscopia com infravermelho, foi usada pela primeira vez na caracterização de perovskitas”, afirmou Nogueira.

Szostak usou o aparato do LNLS, que lhe permitiu mapear grãos nanométricos individuais nos filmes. Isso foi importante porque o método de fabricação dos filmes, que consiste em depositar uma solução dos precursores do material sobre um substrato, em camadas com espessuras da ordem de nanômetros, pode originar tanto a fase estrutural de interesse quanto fases indesejáveis. Fatores circunstanciais, como umidade ou temperatura, influenciam a forma de organização dos átomos, fazendo com que possam passar de uma estrutura com atividade fotovoltaica para uma estrutura inativa. O objetivo do estudo foi investigar como essas diferentes fases se distribuem no filme e, consequentemente, como influenciam o desempenho do dispositivo.

Classe diversa

A perovskita propriamente dita é um óxido de cálcio e titânio, com fórmula molecular CaTiO3. Foi descoberta nos montes Urais, na Rússia, em 1839. E recebeu esse nome em homenagem ao mineralogista russo Lev Perovski (1792-1856), ministro do czar Nicolau I. O que os pesquisadores do CINE e outros chamam de perovskita é, na verdade, uma classe de materiais diversos sintetizados em laboratório que apresentam a mesma estrutura cristalina da perovskita original. São substâncias constituídas por dois cátions (íons positivos) de diferentes tamanhos, que podem ser genericamente descritos pela fórmula molecular ABX3, na qual A e B representam os cátions e X representa halogênios.

As pesquisas conduzidas no CINE, com vista à potencial utilização em dispositivos fotovoltaicos, enfocam perovskitas híbridas, com um cátion inorgânico (sem carbono) e um cátion orgânico (com carbono).

“Szostak trabalhou com perovskitas tridimensionais. Outro trabalho de nosso grupo, realizado por Raphael Fernando Moral, resultou na síntese de um novo material, uma perovskita bidimensional. Moral também usou a luz síncrotron para caracterizar o material, mas com espalhamento de raios X”, contou Nogueira.

O trabalho de Moral também recebeu apoio da FAPESP por meio de bolsa de mestrado e bolsa estágio de pesquisa no exterior. Os resultados renderam destaque na capa do periódico Chemistry of Materials, da American Chemical Society, onde foi publicado o artigo Synthesis of Polycrystalline Ruddlesden–Popper Organic Lead Halides and Their Growth Dynamics.

Moral usou, nos Estados Unidos, o equipamento do Stanford Synchrotron Radiation Lightsource para acompanhar o crescimento do material no momento exato em que a reação química acontecia, por meio de uma técnica chamada de espalhamento de raios X a baixos ângulos (do inglês, SAXS). De volta ao Brasil, o pesquisador e colaboradores prosseguiram o estudo no LNLS, para avaliar a estabilidade do material sob diversas condições de contorno.

“Moral conseguiu determinar até a velocidade média com a qual as placas 2D se sobrepõem durante a formação do material. Quando atravessada pela corrente elétrica, essa perovskita emite luz muito fortemente e pode ser um ótimo material para a fabricação de LEDs [light-emitting diodes]”, disse Nogueira.

O artigo Nanoscale mapping of chemical composition in organic-inorganic hybrid perovskite films pode ser acessado em https://advances.sciencemag.org/content/5/10/eaaw6619. E o artigo Synthesis of Polycrystalline Ruddlesden–Popper Organic Lead Halides and Their Growth Dynamics em https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.chemmater.9b03439.