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Jul 13, 2023

Prêmio NSF CAREER avança leve, baixo

A energia solar está definida para desempenhar um papel fundamental nos Estados Unidos, atingindo sua meta de

A energia solar deve desempenhar um papel fundamental nos Estados Unidos, atingindo sua meta de uma economia de emissões líquidas zero até 2050. Além dos painéis solares convencionais, que são feitos predominantemente de silício e telureto de cádmio, a perovskita fotovoltaica provavelmente fará parte de a solução.

"Os fotovoltaicos baseados em perovskita são empolgantes porque podem ser impressos como jornais e requerem apenas uma pequena fração do material usado nas tecnologias fotovoltaicas tradicionais", disse o professor assistente de engenharia química e ambiental Adam Printz. "Menos uso de material reduz custos e desperdício, o que significa que fotovoltaicos baseados em perovskita de longo prazo são um substituto atraente para as tecnologias atuais."

As perovskitas são ultrafinas – com apenas algumas centenas de nanômetros de espessura, ou cerca de 1% da largura de um fio de cabelo humano – e podem ser impressas em substratos plásticos flexíveis, o que significa que podem ser usadas em aplicações onde portabilidade e peso são fatores-chave de design, incluindo desastres socorro, aviação, exploração espacial e sensores portáteis para assistência médica. No entanto, os fotovoltaicos de perovskita ainda não são comercialmente viáveis ​​porque ainda exibem instabilidades químicas e mecânicas, que fazem com que se degradem e parem de funcionar mais rapidamente do que outras tecnologias. O que exatamente causa essas instabilidades e como elas podem ser mitigadas para melhorar o desempenho da perovskita?

Com um prêmio CAREER de $ 500.000 da National Science Foundation, Printz pretende descobrir isso. Paralelamente, ele está trabalhando para lançar uma série de vídeos e um curso de energia renovável para educar uma nova geração de cientistas.

Entendendo por que e onde os defeitos se formam

A palavra "perovskita" originalmente se referia a um mineral, descoberto pela primeira vez no início do século 19, com a estrutura cristalina ABX3. Hoje em dia, a palavra também é usada como abreviação para se referir a "fotovoltaicos baseados em perovskita de haleto metálico", ou materiais feitos em laboratório que possuem uma estrutura cristalina ABX3 e oferecem propriedades como fotocondutividade e a capacidade de serem transformadas em tintas.

Na estrutura cristalina do ABX3, o A é um cátion ou íon carregado positivamente, o B é um metal (normalmente chumbo ou estanho) e o X é um haleto (um tipo de átomo que funciona como um ânion ou íon carregado negativamente). . Todos estes são dissolvidos em um solvente para fazer uma tinta, que pode ser impressa em um substrato de plástico flexível, semelhante a como a tinta é impressa em um jornal. O filme resultante é aquecido para que o solvente evapore e a perovskita possa cristalizar.

À medida que o filme esfria, a perovskita tende naturalmente a encolher mais do que o material do substrato. No entanto, como o filme e o substrato estão ligados, a perovskita encolhe menos nas áreas onde está em contato com o substrato. Pense em como o centro de uma rede de tênis se inclina ligeiramente, porque está mais perto de estar em repouso, mas nas laterais fica mais alto, porque é sustentado por postes. A diferença entre o padrão de treliça natural da perovskita (como o meio de uma rede de tênis) e o padrão em contato direto com o substrato (como as laterais de uma rede de tênis) causa deformação, formando um gradiente de deformação da rede.

“Sabemos que a tensão da rede é problemática e provavelmente cria instabilidades”, disse Printz. "Também sabemos que há um gradiente de tensão vertical nesses filmes, o que significa que a quantidade de tensão é diferente na parte superior do filme e na parte inferior do filme. Até agora, ninguém realmente ligou esses gradientes de tensão à estabilidade, nem como esses gradientes resultam em diferentes densidades de defeitos ao longo dos filmes de perovskita."

Eliminando Defeitos e Modulando a Tensão

Uma maneira conhecida de mitigar esses defeitos, mesmo que seus comportamentos não sejam totalmente compreendidos, é incorporar materiais orgânicos chamados aditivos nos filmes de perovskita.

"Os aditivos basicamente abordam os defeitos e os removem da equação", disse Printz. "Vamos tentar usar esses aditivos não apenas para atacar defeitos, mas também para permitir que a tensão seja modulada no material de perovskita, para que possamos potencialmente separar os átomos ou juntá-los e obter diferentes propriedades e estabilidade. "