As células solares de perovskita são amplamente consideradas o próximo grande salto da energia fotovoltaica. Elas utilizam uma classe especial de materiais cristalinos que convertem a luz solar em eletricidade com excepcional eficiência. No entanto, sua sensibilidade às variações de temperatura tem retardado sua chegada ao mercado. Pesquisadores da Universidade Técnica de Munique (TUM) e do Cluster de Excelência e-conversion identificaram agora por que esses materiais promissores perdem seu desempenho, e como podem ser estabilizados.

As células solares de perovskita estão entre as tecnologias mais promissoras para tornar a energia solar mais barata e eficiente. Trabalhando com parceiros do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (KIT), do DESY (Deutsches Elektronen-Synchroton) e do Instituto Real de Tecnologia KTH, em Estocolmo, a equipe descobriu os mecanismos microscópicos por trás da deterioração do material devido às variações de temperatura e desenvolveu uma estratégia para evitá-la. Sua abordagem concentra-se na estabilização da frágil estrutura cristalina com "âncoras" moleculares especialmente projetadas.

Para atingir metas climáticas, as células solares precisam durar décadas. Embora as perovskitas tenham alcançado eficiências recordes na conversão da luz solar em eletricidade, elas enfrentam um inimigo implacável na natureza: mudanças extremas de temperatura. Os especialistas se referem a isso como ciclo térmico. Em um único dia, um painel solar pode oscilar entre noites congelantes e calor escaldante. Essas condições do mundo real, com aquecimento e resfriamento repetidos, podem desencadear uma fase de degradação precoce na qual as células solares de perovskita perdem seu desempenho relativo.

"Se quisermos essas células em todos os telhados, precisamos garantir que elas não apenas tenham um bom desempenho no laboratório, mas também resistam ao estresse das estações do ano", afirma o professor Peter Müller-Buschbaum, da Cátedra de Materiais Funcionais da Escola de Ciências Naturais da TUM e membro do Cluster de Excelência e-conversion. Sua equipe de pesquisa identificou as causas microscópicas dessa instabilidade. Eles desenvolveram novas estratégias de design para tornar a camada superior das células solares tandem mais robusta, permitindo que elas resistam às condições do mundo real. Células solares tandem são compostas por células empilhadas (no mínimo duas) e, portanto, aproveitam melhor a luz solar.

"Queima" decifrada – Em um estudo publicado na “Nature Communications”, o autor principal, Kun Sun (na foto, segurando uma célula de perovskita), também da Cátedra de Materiais Funcionais da TUM, e sua equipe investigaram as chamadas células de “Alta Eficiência e Banda Larga Proibida” (HEWB, sigla do inglês), que são as células superiores em uma célula solar tandem. Usando medições de raios X de alta resolução no DESY, a equipe observou o material "respirar" em tempo real durante rápidas mudanças de temperatura; a estrutura cristalina se expandia e contraía periodicamente em resposta às rápidas flutuações de temperatura.

A descoberta foi surpreendente: a degradação ocorre em uma fase inicial de "queima" massiva, onde as células podem perder até 60% de seu desempenho relativo. "Revelamos que uma espécie de cabo de guerra microscópico desencadeia essa perda", explica o Dr. Kun Sun. "Surgem tensões dentro do material e sua estrutura se altera – isso consome energia." Essa descoberta ofereceu aos engenheiros um objetivo claro: se conseguissem eliminar o período de estabilização inicial, poderiam alcançar estabilidade a longo prazo.

"Âncora perfeita" – Como impedir que o material se desintegre? Em um segundo artigo publicado na “ACS Energy Letters”, os pesquisadores relataram como estabilizar o sensível material cristalino. Eles usaram moléculas orgânicas especiais que atuam como espaçadores, mantendo a estrutura unida – como um “andaime” molecular.

Ao comparar diferentes espaçadores, os pesquisadores encontraram um vencedor: enquanto os espaçadores comuns levavam à quebra estrutural, a molécula orgânica PDMA, mais volumosa, atuou como uma âncora mais eficiente. O resultado é uma célula solar significativamente mais robusta que permanece estável mesmo sob o estresse mecânico do aquecimento e resfriamento rápidos.

"O futuro da energia fotovoltaica é tandem", diz o professor Peter Müller-Buschbaum. "Ao entendermos esses mecanismos microscópicos, estamos abrindo caminho para uma nova geração de módulos solares altamente eficientes e duráveis ​​o suficiente para décadas de uso externo."