Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Toledo (UToledo), nos Estados Unidos, anunciou um avanço significativo na tecnologia de células solares, desenvolvendo uma célula de perovskita de estanho (Sn) bidimensional/tridimensional (2D/3D) que estabelece um novo recorde de estabilidade ao ar. A inovação, que alcançou uma eficiência de conversão de energia de 16,19%, faz parte de um projeto de pesquisa dedicado à identificação de materiais de perovskita livres de chumbo (Pb) para aplicações fotovoltaicas.

As células solares de perovskita 2D/3D combinam uma fase de perovskita 2D com um absorvedor de perovskita 3D convencional, geralmente em uma interface ou em uma estrutura de dimensão mista. A camada 2D tem a capacidade de passivar defeitos, aprimorar o transporte e a extração de portadores de carga, e suprimir a migração de íons. Além disso, as células que incorporam materiais 2D podem oferecer maior estabilidade do que os dispositivos 3D convencionais, devido ao efeito protetor de seus ligantes orgânicos. Essa arquitetura é particularmente útil para células solares de perovskita de estanho sem chumbo, que historicamente enfrentam desafios de estabilidade.

Estabilidade e Eficiência Notáveis

O dispositivo de perovskita de haleto de estanho 2D/3D desenvolvido pela equipe demonstrou uma notável estabilidade. Ele manteve 95% de sua eficiência inicial por mais de 1.600 horas em ar seco. Sob iluminação contínua de um sol a 55 °C no ar, as células retiveram 80% de sua eficiência após 1.000 horas. Em comparação, um dispositivo anterior de perovskita de haleto de estanho 2D/3D, revelado em 2025, atingiu uma eficiência certificada de 16,65% e operou estavelmente sob iluminação contínua por mais de 1.500 horas. Os pesquisadores afirmam que as células atuais são as mais estáveis ao ar de seu tipo até o momento.

"As perovskitas de estanho são consideradas a principal alternativa sem chumbo, mas uma desvantagem fundamental é que o estanho oxida facilmente quando exposto ao oxigênio e à umidade. Nossa pesquisa é significativa porque aponta para uma solução potencial para este grande desafio para a fotovoltaica de perovskita de estanho", afirmou Jiahao Xie, autor principal da pesquisa, à pv magazine.

A eficiência de conversão de energia de 16,19% alcançada pelo dispositivo 4ClPEAI (4-clorofenetilamônio iodeto) está entre as mais altas relatadas para células solares de perovskita de estanho até hoje, com a maior eficiência relatada para células de perovskita de Sn sendo de aproximadamente 17%. A eficiência média em 14 dispositivos aumentou de 10,34% para o controle para 15,88% com a adição do 4ClPEAI. Os pesquisadores atribuíram essa melhoria à cristalinidade aprimorada do filme, à orientação cristalina e à morfologia da superfície. A voltagem de circuito aberto, a densidade de corrente de curto-circuito e o fator de preenchimento também foram melhorados, enquanto a banda proibida permaneceu em torno de 1,44 eV.

Desafios e Vantagens da Perovskita de Estanho

A pesquisa com perovskitas de estanho é crucial para desenvolver alternativas mais sustentáveis às células solares de perovskita baseadas em chumbo. Embora as perovskitas de chumbo sejam atualmente mais econômicas devido ao menor custo das matérias-primas, as perovskitas de estanho são mais ecologicamente corretas. Essa consideração é particularmente importante ao avaliar o potencial de comercialização a longo prazo das células solares de perovskita.

"Em geral, as perovskitas à base de Pb são atualmente mais econômicas do que as perovskitas à base de Sn porque as fontes de chumbo são menos caras do que suas contrapartes à base de estanho", disse o coautor Lei Chen. "No entanto, as perovskitas à base de Sn são mais ecologicamente corretas do que as perovskitas à base de Pb. Essa consideração é particularmente importante ao avaliar o potencial de comercialização a longo prazo das células solares de perovskita."

As eficiências atuais das células solares de perovskita de estanho ainda estão bem abaixo de sua eficiência teórica, mas os resultados alcançados neste estudo são considerados altamente competitivos e satisfatórios, dada a situação atual do campo.

Detalhes da Construção da Célula

Para o design da célula solar, os cientistas utilizaram espaçadores baseados em fenetilamônio (PEA) e seus derivados halogenados. Esses espaçadores têm múltiplas funções: proteger a superfície da perovskita, controlar o crescimento dos cristais, reduzir defeitos e limitar a degradação causada pela umidade e pelo oxigênio. Ao modificar o halogênio ligado ao PEA, os pesquisadores puderam ajustar propriedades como a hidrofobicidade e as interações intermoleculares, o que lhes permitiu identificar qual espaçador produzia a perovskita de estanho mais cristalina e estável ao ar.

Eles identificaram o 4-clorofenetilamônio iodeto (4ClPEAI) como o cátion espaçador mais eficaz. Este cátion produziu perovskitas de haleto de estanho 2D com empacotamento intercamadas denso, mínima distorção estrutural e difusão de oxigênio e água fortemente reduzida. A adição de 4-clorofenetilamônio ao material de perovskita de iodeto de estanho formamidínio 3D (FASnI₃) também melhorou a cristalinidade do filme, a orientação cristalina e a morfologia da superfície.

A célula solar foi construída com os seguintes componentes:

  • Substrato: Óxido de Índio Estanho (ITO)
  • Camada de Transporte de Buracos (HTL): PEDOT:PSS
  • Absorvedor: Perovskita 2D-3D
  • Camada de Transporte de Elétrons (ETL): Bisaduto de Indeno-C60 (ICBA)
  • Camada de Buffer: Batocuproína (BCP)
  • Contato Metálico: Prata (Ag)

Os pesquisadores adicionaram 5 mol% de diferentes sais espaçadores à camada de perovskita de haleto de estanho, sendo o 4ClPEAI o que entregou os resultados mais promissores.

Princípios de Design para o Futuro

"É tão importante quanto os resultados que somos capazes de explicar por que funciona usar uma molécula clorada como espaçador", concluiu Xie. "Isso nos dá um princípio de design claro para futuras perovskitas sem chumbo."

O novo conceito de célula foi apresentado no artigo "A chlorinated organic cation enables stable 2D/3D tin iodide perovskite photovoltaics", publicado na revista Nature Materials. A equipe de pesquisa incluiu acadêmicos da Universidade de Wisconsin–Madison, do National Laboratory of the Rockies e da Universidade do Colorado Boulder, todos nos Estados Unidos.

O que isso significa para a região

A pesquisa em células solares de perovskita de estanho, com seu foco na estabilidade e na eliminação do chumbo, tem implicações significativas para o futuro da energia solar. Embora ainda em fase de pesquisa e desenvolvimento, a melhoria da estabilidade e a redução da toxicidade desses materiais são passos cruciais para a comercialização em larga escala. Para o Norte Pioneiro do Paraná, uma região com grande potencial para a energia solar, o avanço de tecnologias mais eficientes e duráveis, especialmente aquelas que minimizam o impacto ambiental, pode acelerar a adoção de sistemas fotovoltaicos. A longo prazo, isso pode significar acesso a uma energia mais limpa e potencialmente mais acessível, contribuindo para a sustentabilidade e a economia local, à medida que a tecnologia amadurece e se torna comercialmente viável.

Leitura da LZ7 Energia

A busca por materiais fotovoltaicos mais sustentáveis e eficientes é uma constante na indústria de energia solar. A perovskita, em particular, tem sido um foco de pesquisa intenso devido ao seu alto potencial de eficiência e baixo custo de produção. No entanto, o uso de chumbo nas formulações tradicionais levanta preocupações ambientais e de saúde. A inovação de uma célula de perovskita de estanho 2D/3D, que demonstra alta estabilidade e elimina o chumbo, representa um avanço crucial. Para o consumidor brasileiro, e especificamente para os moradores do Norte Pioneiro do Paraná, isso pode significar um futuro com painéis solares mais duráveis, seguros e, eventualmente, mais acessíveis. Uma tecnologia mais estável reduz a necessidade de manutenção e substituição, otimizando o investimento em energia solar e tornando-a uma opção ainda mais atraente para residências e empresas que buscam reduzir seus custos com a conta de luz e contribuir para um futuro mais verde. A LZ7 Energia acompanha de perto essas inovações, pois elas pavimentam o caminho para soluções energéticas cada vez mais robustas e ecologicamente responsáveis.

Fonte: PV Magazine — Solar global — matéria original publicada em pv-magazine.com. Imagens e vídeos: PV Magazine — Solar global. Texto apurado e reescrito pela redação da LZ7 Energia.