Nova célula solar resistente alcança 25% de eficiência na conversão da luz em eletricidade

Cientistas acabam de dar um salto importante na tecnologia solar. Uma inovação desenvolvida por pesquisadores da Universidade Cornell pode finalmente resolver um dos maiores obstáculos para a adoção em massa de células solares de perovskita: a durabilidade. O novo material protetor não apenas prolonga significativamente a vida útil dessas células, como permite que alcancem impressionantes 25,3% de eficiência na conversão de luz solar em eletricidade.

Proteção inovadora para células solares

O estudo, publicado na revista Joule, foi liderado pelo professor Qiuming Yu e pelo doutorando Shripathi Ramakrishnan. Eles desenvolveram uma camada protetora bidimensional (2D) que funciona como um escudo para a frágil estrutura tridimensional (3D) das células de perovskita. Esta solução responde diretamente ao problema que tem limitado a comercialização dessas células solares mais leves e econômicas que as tradicionais de silício: sua vulnerabilidade às condições ambientais.

“O silício levou cerca de 50 anos para chegar onde estamos com a energia solar”, explicou Yu em comunicado oficial. “A perovskita ainda não teve 50 anos, mas podemos acelerar esse progresso entendendo-a em nível molecular e aplicando o que aprendemos.”

Repensando os componentes tradicionais

Até agora, a maioria das tentativas de proteger células solares de perovskita utilizava metilamônio (MA) como componente estrutural. Porém, este material se degrada rapidamente sob exposição solar. “Com MA, você tem boa eficiência e transporte de carga, mas a célula solar se degrada rapidamente em algumas centenas de horas de operação contínua”, detalhou Ramakrishnan.

Para superar esse desafio, os pesquisadores optaram pelo formamidínio (FA), conhecido por sua maior resistência à degradação. No entanto, o tamanho maior do FA criava tensão na estrutura cristalina, dificultando a formação de uma camada 2D estável.

A solução veio através do conceito de “compatibilidade de rede cristalina”. A equipe selecionou cuidadosamente cátions orgânicos (ligantes) que se alinham naturalmente tanto com o FA quanto com a estrutura cristalina circundante.

Equilíbrio molecular perfeito

“A ideia básica é que um ligante em um perovskita 2D tenta encolher a rede, enquanto o cátion da gaiola FA trabalha para aumentá-la, e você tem essas duas forças opostas em ação,” explicou Ramakrishnan. “Escolhemos especificamente um ligante que não comprime demais a gaiola, permitindo uma leve expansão para acomodar o cátion FA maior.”

Aplicada como revestimento protetor sobre a perovskita 3D, a nova camada foi testada através de técnicas avançadas como difração de raios X por sincrotron e mapeamento de fotoluminescência confocal. Os resultados confirmaram sua excepcional estabilidade quando exposta a luz, calor e umidade.

Os testes de desempenho revelaram que as células solares com a nova configuração alcançaram 25,3% de eficiência na conversão de energia, um índice altamente competitivo no setor. Mais impressionante ainda foi sua durabilidade: perderam apenas 5% de seu desempenho após quase 50 dias de envelhecimento acelerado sob condições que simulavam o ambiente real.