Freiburg, Alemanha — Um avanço notável na tecnologia de energia solar foi anunciado por pesquisadores da Alemanha, com a criação de uma célula solar tandem de perovskita-silício que atinge uma impressionante eficiência de conversão de energia de 27,3%. O diferencial crucial desta inovação, desenvolvida pela Universidade de Freiburg em colaboração com o Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energia Solar (Fraunhofer ISE), reside no seu processo de fabricação totalmente livre de solventes, prometendo um caminho mais limpo e escalável para a produção industrial.

A equipe de cientistas conseguiu eliminar completamente o uso de solventes em todas as etapas da produção da célula, um feito que pode revolucionar a fabricação de dispositivos fotovoltaicos. Tradicionalmente, muitos processos de deposição de filmes finos em células solares dependem de solventes, o que pode levar a contaminações e exigir etapas adicionais de remoção e secagem.

Inovação no Processo de Fabricação

No cerne desta tecnologia está a utilização da Deposição Física de Vapor (PVD) e outros processos escaláveis industrialmente e livres de solventes para a fabricação da camada de perovskita. A deposição da camada de perovskita foi realizada por meio de evaporação sequencial. A PVD oferece uma abordagem livre de solventes para a deposição de filmes finos, pois o material de revestimento é transferido diretamente para o substrato através da fase de vapor sob vácuo, eliminando a necessidade de dissolver o material em um veículo líquido.

“No cerne do projeto está a fabricação da camada de perovskita usando deposição física de vapor (PVD) e outros processos livres de solventes, escaláveis industrialmente.” — Cientistas, em comunicado.

Essa metodologia não apenas simplifica o processo, mas também reduz a chance de contaminação relacionada a solventes e elimina a necessidade de etapas subsequentes de remoção ou secagem. Mohamed A. A. Mahmoud, autor principal do estudo, destacou a importância dessa conquista.

“Conseguimos eliminar todos os solventes do processo de fabricação da célula superior de perovskita de banda larga e integrar essa tecnologia na primeira célula solar tandem de perovskita-silício totalmente livre de solventes do mundo.” — Mohamed A. A. Mahmoud, autor principal.

A colaboração internacional foi fundamental para o sucesso do projeto, como ressaltou a coautora Juliane Borchert.

“Graças à excelente colaboração com pesquisadores de quatro países diferentes, conseguimos combinar várias técnicas de medição para obter uma compreensão detalhada dos processos que ocorrem durante a deposição dos filmes finos de perovskita.” — Juliane Borchert, coautora.

“As células solares tandem de perovskita-silício têm grande potencial para se tornarem a próxima geração de células solares de alta eficiência. Para que elas façam a transição do laboratório para a fabricação industrial, é essencial identificar a combinação ideal de métodos de deposição que permitam uma produção confiável, em larga escala e de alto rendimento. Com esta célula solar tandem livre de solventes, estamos lançando uma base importante para alcançar esse objetivo.” — Juliane Borchert, coautora.

Detalhes Técnicos e Desempenho

Os pesquisadores construíram o dispositivo livre de solventes em uma configuração monolítica de dois terminais (2T), com uma célula superior de perovskita evaporada sequencialmente integrada a uma célula inferior de heterojunção de silício (SHJ). O absorvedor de perovskita foi depositado via evaporação sequencial, utilizando uma receita otimizada de precursor projetada para atingir o bandgap (lacuna de energia) necessário e a conversão completa dos precursores de haleto de chumbo.

A camada de transporte de buracos (HTL) também foi depositada por evaporação, evitando o processamento em solução na interface inferior da célula de perovskita. Na interface superior, foi depositada uma camada de passivação de diiodeto de etilenodiamônio (EDAI), seguida por uma camada de 15 nanômetros (nm) de buckminsterfulereno (C60) como camada de transporte de elétrons (ETL). Em seguida, foram depositados 20 nm de óxido de estanho (SnOₓ) via deposição por camada atômica (ALD) e 25 nm de óxido de índio-estanho (ITO) por pulverização catódica.

O dispositivo de 1 cm² foi finalizado com um eletrodo de prata (Ag) de 200 nm e uma camada de fluoreto de magnésio (MgF₂) de 100 nm.

Resultados e Estabilidade

Testada sob condições de iluminação padrão, a célula tandem demonstrou um desempenho notável:

  • Eficiência de conversão de energia: 27,1%
  • Tensão de circuito aberto: 1.903 mV
  • Densidade de corrente de curto-circuito: 19,3 mA/cm²
  • Fator de preenchimento: 73,8%

Além da alta eficiência inicial, o dispositivo exibiu uma excelente estabilidade, retendo 97,06% de sua eficiência inicial após 6.800 horas de armazenamento no escuro sob atmosfera de nitrogênio (N₂).

Medições de difração de raios-X (XRD) in situ forneceram insights sobre o crescimento e a conversão dos absorvedores de perovskita depositados sequencialmente em substratos de silício planos e texturizados. Os pesquisadores descobriram que o silício texturizado promovia uma conversão mais eficaz dos precursores de haleto de chumbo na fase de perovskita do que o silício plano. Eles também observaram a redistribuição de haletos durante o recozimento térmico, destacando a importância de condições de recozimento cuidadosamente otimizadas para alcançar alto desempenho do dispositivo. No entanto, notaram que as elevadas temperaturas de processamento impõem requisitos adicionais de estabilidade térmica às camadas de transporte de buracos.

Próximos Passos e Publicação

Os acadêmicos concluíram que essa conquista e os novos insights sobre os processos de cristalização formam uma base importante para a otimização futura da tecnologia e sua implementação industrial. O novo processo de fabricação foi descrito no artigo “Impact of silicon substrate topography on sequentially evaporated perovskite film growth”, publicado na revista científica Joule.

O que isso significa para a região

A pesquisa com células solares tandem de perovskita-silício representa um avanço significativo para a indústria de energia solar, com potencial para impactar diretamente a geração de energia no Norte Pioneiro do Paraná e em todo o Brasil. Atingir 27,3% de eficiência com um processo de fabricação livre de solventes não só eleva o patamar de desempenho dos painéis solares, mas também abre portas para uma produção mais sustentável e econômica. A eliminação de solventes reduz custos operacionais, minimiza o impacto ambiental e pode acelerar a transição da tecnologia do laboratório para a escala industrial. Para a nossa região, que já demonstra crescente interesse em energia solar, a disponibilidade de painéis mais eficientes e produzidos de forma mais limpa pode significar uma redução ainda maior nas contas de energia, maior retorno sobre o investimento em sistemas fotovoltaicos e um impulso para a adoção generalizada da energia solar, fortalecendo a economia local e a segurança energética.

Leitura da LZ7 Energia

A pesquisa com células solares tandem de perovskita-silício representa um avanço significativo para a indústria de energia solar, com potencial para impactar diretamente a geração de energia no Norte Pioneiro do Paraná e em todo o Brasil. Atingir 27,3% de eficiência com um processo de fabricação livre de solventes não só eleva o patamar de desempenho dos painéis solares, mas também abre portas para uma produção mais sustentável e econômica. A eliminação de solventes reduz custos operacionais, minimiza o impacto ambiental e pode acelerar a transição da tecnologia do laboratório para a escala industrial. Para a nossa região, que já demonstra crescente interesse em energia solar, a disponibilidade de painéis mais eficientes e produzidos de forma mais limpa pode significar uma redução ainda maior nas contas de energia, maior retorno sobre o investimento em sistemas fotovoltaicos e um impulso para a adoção generalizada da energia solar, fortalecendo a economia local e a segurança energética.

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.