Células solares de perovskita de alto desempenho há muito tempo dependem fortemente de chumbo, representando riscos ambientais e à saúde significativos. A equipe do jovem pesquisador Liang Jia, da Escola de Materiais Inteligentes e Inovação em Energia Futura da Universidade de Fudan, desenvolveu células solares de perovskita à base de estanho, superando os principais desafios da tecnologia fotovoltaica sustentável, sem chumbo e verde. Isso marca mais um avanço para o meu país no campo de materiais de energia limpa.
As células solares de perovskita, com suas vantagens de alta eficiência, baixo custo e fácil processamento, tornaram-se uma tecnologia fotovoltaica popular de próxima geração. No entanto, os materiais principais dessa tecnologia contêm chumbo, o que representa riscos ambientais e à saúde. Como se libertar das restrições do chumbo, mantendo o desempenho e alcançando uma geração de energia fotovoltaica verdadeiramente verde e inofensiva, é uma questão fundamental que aguarda urgentemente pesquisas internacionais.
Desde 2021, a equipe de Liang Jia tem trabalhado para enfrentar esse desafio. Eles se concentraram no estanho, um elemento com excelentes propriedades optoeletrônicas e respeito ao meio ambiente. As perovskitas à base de estanho, com sua banda proibida ideal, alta mobilidade e boa compatibilidade ambiental, são consideradas a alternativa sem chumbo mais promissora. No entanto, devido a problemas como a suscetibilidade dos íons de estanho à oxidação, estrutura cristalina instável e inúmeros defeitos de interface, seu desempenho estagnou por muito tempo. A equipe de Liang Jia descobriu, durante sua pesquisa inicial, que sua eficiência de conversão fotoelétrica era muito baixa, inferior a 10%. Além disso, materiais à base de chumbo e estanho apresentam diferenças fundamentais na dinâmica de crescimento cristalino e nos mecanismos de formação de filmes finos.
Para abordar essas questões, a equipe de Liang Jia enfrentou continuamente desafios científicos importantes, incluindo controle de defeitos, otimização de interface, extração de portadores e design de camadas funcionais. Eles estabeleceram sistematicamente uma estrutura técnica abrangente, desde o crescimento do material até o controle da banda proibida e engenharia de interface, fabricando com sucesso células solares de perovskita à base de estanho, ecologicamente corretas e altamente eficientes. A certificação de terceiros confirmou que as células solares de perovskita à base de estanho da equipe alcançaram uma eficiência de conversão fotoelétrica de 17,7%.
Com base nessas conquistas iniciais, a equipe de Liang Jia conduziu simultaneamente pesquisas sobre fabricação e escalabilidade de células de grande área, levando a tecnologia da fase experimental à aplicação prática. Ao otimizar o processamento da solução e os métodos de deposição de filmes finos, a equipe fabricou com sucesso filmes de perovskita à base de estanho de alta qualidade, medindo vários centímetros quadrados, alcançando eficiência recorde em dispositivos de grande área. Essa conquista demonstra a excelente escalabilidade e compatibilidade de engenharia da tecnologia.
"Em termos de custos de material, as células solares à base de estanho não são apenas muito mais baratas do que as células solares à base de silício em teoria, mas também são altamente compatíveis com substratos flexíveis, eletrônicos impressos e processos de fabricação rolo a rolo", explicou Liang Jia. Comparado aos sistemas tradicionais à base de chumbo, a banda proibida dos sistemas à base de estanho está mais próxima do valor teórico dos materiais fotovoltaicos ideais, tornando-os mais adequados para alcançar alta eficiência de conversão fotoelétrica e fabricação em larga escala e de baixo custo. Além disso, as células solares à base de estanho apresentam excelente desempenho de geração de energia com baixa luminosidade. Os atuais sistemas fotovoltaicos internos normalmente dependem de células à base de silício, com eficiências de conversão fotoelétrica em torno de 10%, enquanto a nova tecnologia apresenta uma eficiência de conversão em torno de 30%.
"Esta tecnologia alcançou o status verdadeiramente livre de chumbo, resolvendo o problema atual da indústria de toxicidade por chumbo com perovskitas à base de chumbo. Continuaremos a refinar suas camadas funcionais por meio de vários métodos para alcançar eficiência e estabilidade ainda maiores", concluiu Liang Jia. A equipe planeja colaborar com empresas de áreas relacionadas para avançar ainda mais na industrialização de células solares de perovskita à base de estanho, visando sua ampla implantação em áreas como energia fotovoltaica integrada a edifícios, dispositivos de energia vestíveis, telhados automotivos e sistemas de energia limpa off-grid.
