Nova tecnologia prova seu poder duradouro

Células solares de perovskita de 30 anos e a nova técnica para testá-las a longo prazo.

Os cientistas da Princeton Engineering desenvolveram a primeira célula solar de perovskita com uma vida útil comercialmente viável, marcando um marco importante para uma classe emergente de tecnologia de energia renovável. A equipe de pesquisa projeta que seu dispositivo pode funcionar acima dos padrões da indústria por cerca de 30 anos, muito mais do que os 20 anos usados ​​como limite de viabilidade para células solares.

O dispositivo não é apenas altamente durável, mas também atende aos padrões comuns de eficiência. Na verdade, é o primeiro de seu tipo a rivalizar com o desempenho das células à base de silício, que dominaram o mercado desde sua introdução em 1954.

As perovskitas são semicondutores com uma estrutura cristalina especial que os torna adequados para a tecnologia de células solares. Eles podem ser fabricados à temperatura ambiente, usando muito menos energia que o silício, tornando-os mais baratos e mais sustentáveis ​​de produzir. E enquanto o silício é rígido e opaco, as perovskitas podem se tornar flexíveis e transparentes, estendendo a energia solar muito além dos icônicos painéis retangulares que povoam encostas e telhados em toda a América.

Mas, ao contrário do silício, as perovskitas são notoriamente frágeis. As primeiras células solares de perovskita (PSC), criadas entre 2009 e 2012, duravam apenas alguns minutos. A vida útil projetada do novo dispositivo representa um aumento de cinco vezes em relação ao recorde anterior, estabelecido por um PSC de menor eficiência em 2017. (Esse dispositivo funcionou sob iluminação contínua à temperatura ambiente por um ano. O novo dispositivo operaria por cinco anos sob condições de laboratório semelhantes.)

A equipe de Princeton, liderada por Lynn Loo, Theodora D. ’78 e William H. Walton III ’74 Professor de Engenharia, revelou seu novo dispositivo e seu novo método para testar tais dispositivos em um artigo publicado em 16 de junho de 2022, em o jornal Ciência.

Loo disse que o projeto recorde destacou o potencial durável dos PSCs, especialmente como uma maneira de levar a tecnologia de células solares além dos limites do silício. Mas ela também apontou o resultado da manchete para a nova técnica de envelhecimento acelerado de sua equipe como o significado mais profundo do trabalho.

“Podemos ter o disco hoje”, disse ela, “mas outra pessoa virá com um disco melhor amanhã. A coisa realmente empolgante é que agora temos uma maneira de testar esses dispositivos e saber como eles funcionarão a longo prazo.”

Devido à fragilidade bem conhecida das perovskitas, os testes de longo prazo não eram uma grande preocupação até agora. Mas à medida que os dispositivos ficam melhores e duram mais, testar um design contra outro se tornará crucial para lançar tecnologias duráveis ​​e amigáveis ​​ao consumidor.

“Este artigo provavelmente será um protótipo para quem procura analisar o desempenho na interseção de eficiência e estabilidade”, disse Joseph Berry, membro sênior do Laboratório Nacional de Energia Renovável especializado em física de células solares e que não foi envolvidos neste estudo. “Produzindo um protótipo para estudar a estabilidade e mostrando o que pode ser extrapolado [through accelerated testing], está fazendo o trabalho que todos querem ver antes de começarmos os testes de campo em escala. Ele permite que você projete de uma maneira realmente impressionante.”

Embora a eficiência tenha acelerado em um ritmo notável na última década, disse Berry, a estabilidade desses dispositivos melhorou mais lentamente. Para que eles se difundam e sejam lançados pela indústria, os testes precisarão se tornar mais sofisticados. É aí que entra o processo de envelhecimento acelerado de Loo.

“Esses tipos de testes serão cada vez mais importantes”, disse Loo. “Você pode fazer as células solares mais eficientes, mas não importa se elas não forem estáveis.”

Como eles chegaram aqui

No início de 2020, a equipe de Loo estava trabalhando em várias arquiteturas de dispositivos que manteriam uma eficiência relativamente forte – convertendo luz solar suficiente em energia elétrica para torná-los valiosos – e sobreviveriam ao ataque de calor, luz e umidade que bombardeiam uma célula solar durante sua vida útil.

Xiaoming Zhao, pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Loo, estava trabalhando em vários projetos com colegas. Os esforços sobrepuseram diferentes materiais para otimizar a absorção de luz, protegendo as áreas mais frágeis da exposição. Eles desenvolveram uma camada de cobertura ultrafina entre dois componentes cruciais: a camada absorvente de perovskita e uma camada transportadora de carga feita de sal cúprico e outras substâncias. O objetivo era evitar que o semicondutor perovskita queimasse em questão de semanas ou meses, a norma na época.

É difícil compreender o quão fina é essa camada de cobertura. Os cientistas usam o termo 2D para descrevê-lo, significando duas dimensões, como algo que não tem espessura alguma. Na realidade, tem apenas alguns átomos de espessura – mais de um milhão de vezes menor do que a menor coisa que um olho humano pode ver. Embora a ideia de uma camada de cobertura 2D não seja nova, ainda é considerada uma técnica promissora e emergente. Cientistas do NREL mostraram que as camadas 2D podem melhorar muito o desempenho de longa distância, mas ninguém havia desenvolvido um dispositivo que empurrasse as perovskitas para perto do limite comercial de uma vida útil de 20 anos.

Zhao e seus colegas passaram por dezenas de permutações desses projetos, mudando detalhes minuciosos na geometria, variando o número de camadas e experimentando dezenas de combinações de materiais. Cada projeto foi para a caixa de luz, onde eles poderiam irradiar os dispositivos sensíveis em luz brilhante implacável e medir sua queda no desempenho ao longo do tempo.

No outono daquele ano, quando a primeira onda da pandemia diminuiu e os pesquisadores voltaram aos seus laboratórios para cuidar de seus experimentos em turnos cuidadosamente coordenados, Zhao notou algo estranho nos dados. Um conjunto de dispositivos ainda parecia estar operando perto de sua eficiência máxima.

“Houve basicamente uma queda zero depois de quase meio ano”, disse ele.

Foi quando ele percebeu que precisava de uma maneira de testar seu dispositivo mais rápido do que seu experimento em tempo real permitia.

“A vida útil que queremos é de cerca de 30 anos, mas você não pode levar 30 anos para testar seu dispositivo”, disse Zhao. “Então, precisamos de alguma maneira de prever essa vida útil dentro de um prazo razoável. É por isso que esse envelhecimento acelerado é muito importante.”

O novo método de teste acelera o processo de envelhecimento, iluminando o dispositivo enquanto o explode com calor. Esse processo acelera o que aconteceria naturalmente ao longo de anos de exposição regular. Os pesquisadores escolheram quatro temperaturas de envelhecimento e mediram os resultados nesses quatro fluxos de dados diferentes, desde a temperatura de referência de um dia típico de verão até um extremo de 230 graus[{” attribute=””>Fahrenheit, higher than the boiling point of water.

They then extrapolated from the combined data and forecast the device’s performance at room temperature over tens of thousands of hours of continuous illumination. The results showed a device that would perform above 80 percent of its peak efficiency under continuous illumination for at least five years at an average temperature of 95 degrees Fahrenheit. Using standard conversion metrics, Loo said that’s the lab equivalent of 30 years of outdoor operation in an area like Princeton, NJ.

Berry of NREL concurred. “It’s very credible,” he said. “Some people are still going to want to see it play out. But this is much more credible science than a lot of other attempts at forecasting.”

The Michael Jordan of solar cells

Perovskite solar cells were pioneered in 2006, with the first published devices following in 2009. Some of the earliest devices lasted only seconds. Others minutes. In the 2010s the device lifetimes grew to days and weeks and finally months. Then in 2017, a group from Switzerland published a groundbreaking paper on a PSC that lasted for one full year of continuous illumination.

Meanwhile, the efficiency of these devices has skyrocketed over the same period. While the first PSC showed a power-conversion efficiency of less than 4 percent, researchers boosted that metric nearly tenfold in as many years. It was the fastest improvement scientists had seen in any class of renewable-energy technology to date.

So why the push for perovskites? Berry said a combination of recent advances make them uniquely desirable: newly high efficiencies, an extraordinary “tunability” that allows scientists to make highly specific applications, the ability to manufacture them locally with low energy inputs, and now a credible forecast of extended life coupled with a sophisticated aging process to test a wide array of designs.

Loo said it’s not that PSCs will replace silicon devices so much that the new technology will complement the old, making solar panels even cheaper, more efficient, and more durable than they are now, and expanding solar energy into untold new areas of modern life. For example, her group recently demonstrated a completely transparent perovskite film (having different chemistry) that can turn windows into energy-producing devices without changing their appearance. Other groups have found ways to print photovoltaic inks using perovskites, allowing form factors scientists are only now dreaming up.

But the main advantage in the long run, according to both Berry and Loo: Perovskites can be manufactured at room temperature, whereas silicon is forged at around 3000 degrees Fahrenheit. That energy has to come from somewhere, and at the moment that means burning a lot of fossil fuels.

Berry added this: Because scientists can tune perovskite properties easily and broadly, they allow disparate platforms to work smoothly together. That could be key in wedding silicon with emerging platforms such as thin-film and organic photovoltaics, which have also made great progress in recent years.

“It’s sort of like Michael Jordan on the basketball court,” he said. “Great on its own, but it also makes all the other players better.”

Reference: “Accelerated aging of all-inorganic, interface-stabilized perovskite solar cells” by Xiaoming Zhao, Tianran Liu, Quinn C. Burlingame, Tianjun Liu, Rudolph Holley, Guangming Cheng, Nan Yao, Feng Gao and Yueh-Lin Loo, 16 June 2022, Science.
DOI: 10.1126/science.abn5679

The paper “Accelerated aging of all-inorganic, interface-stabilized perovskite solar cells” was published with support from the National Science Foundation; the U.S. Department of Energy, via Brookhaven National Laboratory; the Swedish Government Strategic Research Area in Materials Science on Functional Materials; and the Princeton Imaging and Analysis Center. In addition to Loo and Zhao, contributing authors include Tianjun Liu and Feng Gao, both from Linköping University; and Tianran Liu, Quinn C. Burlingame, Rudolph Holley III, Guangming Cheng and Nan Yao, all from Princeton University.