Investigação do impacto das condições de preparo sobre a formação de perovskita híbridas aplicadas a células solares

• Processo: 16/21426-4
• Modalidade de apoio: Bolsas no Exterior - Pesquisa
• Vigência (Início): 01 de fevereiro de 2017
• Vigência (Término): 31 de janeiro de 2018
• Área do conhecimento: Ciências Exatas e da Terra - Química - Físico-química
• Pesquisador responsável: Ana Flávia Nogueira
• Beneficiário: Ana Flávia Nogueira
• Pesquisador Anfitrião: Michael Toney
• Instituição Sede: Instituto de Química (IQ). Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Campinas , SP, Brasil
• Local de pesquisa: SLAC National Accelerator Laboratory, Estados Unidos
• Assunto(s): Materiais Difração por raios X Células solares Perovskita Energia solar
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Células Solares | difração de raios-X | Energia Solar | perovskita | materiais

Resumo

O principal objetivo da presente proposta consiste em compreender o impacto das condições de preparação sobre a formação dos materiais de perovskita híbridos e desenvolver estratégias para melhorar a estabilidade das células solares em condições ambiente.Recentemente, células solares de perovskita híbrida orgânica-inorgânica (PSCs) surgiram como uma alternativa promissora na area de dispositivos fotovoltaicos de filmes finos, devido ao seu alto desempenho e baixo custo. A estrutura cristalina da perovskita híbrida, ABX3 (em que A, B, e X é um cation orgânico (CH3NH3 + (MA), NH2CH = NH2 + (FA), cation de metal (Pb2 +, Sn2 +) e ânion haleto (Cl, Br ou I )), respectivamente, é responsável pelas propriedades excepcionais deste material. O band gap pode ser ajustado desde o ultravioleta ao infravermelho através da composição e proporção entre os anions haletos. Materiais de perovskita têm elevado coeficiente de extinção (por exemplo, comparável ao GaAs), bandgap direto, exibindo tanto elevada mobilidade para o portador de elétrons como para o de buraco, e comprimentos de difusão excepcionalmente longos para ambos. O estado da arte se baseia em dispositivos com valores de eficiência de 22%.Embora nenhuma tecnologia fotovoltaica tenha tido um crescimento tão rápido em tão pouco tempo, colocando as células solares de perovskita como um dos tópicos mais investigados atualmente, vários aspectos desta tecnologia ainda permanecem como um entrave para sua futura implementação, como a substituição de chumbo (Pb), a sua baixa estabilidade sob condições ambientais, a histerese nos dispositivos, componentes caros como ouro ou Spiro-OMEOTAD. Além disso, a formação dos materiais de perovskita, especialmente em condições ambiente, embora muito desejado, não é bem compreendido. Vários estudos têm indicado a influência positiva da absorção de água durante a cristalização do filme de perovskita, originando grão maiores e filmes com poucos defeitos.Portanto, o destaque desse projeto está no impacto das condições de preparo na estrutura cristalina e morfologia dos materiais híbridos de perovskita em diferentes condições ambiente (ar e nitrogênio, e sob aquecimento em diferentes temperaturas). O presente projeto irá se concentrar nas perovskitas de cátions mistos (MAFAPbX3, CsFAMAPbX3, RbCsFAMAPbX3), uma nova classe de materiais que permitiram a fabricação de células solares com PCE acima de 20% e com melhor estabilidade térmica. A preparação desta classe de perovskitas é normalmnete realizada dentro de uma Glove Box e não existem relatos na literature sobre a influência das condições ambiente sobre a estrutura cristalina, morfologia e correlação com o desempenho do dispositivo.A atmosfera de uma Glove Box (geralmente nitrogênio) aumenta significativamente os custos de operação e dos equipamentos num processo em escala industrial, por isso a fabricação de filmes de perovskita nas condições ambientes é mais atrativo e desejado.O grupo do Prof. Michael Toney no Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SLAC) emprega tecnicas de raios-X como a espectroscopia de fotoelétrons, fluorescência e técnicas de difração para estudar a formação, estrutura cristalina, transições de fase e composição de materiais de perovskita.O projeto proposto, utilizando as técnicas disponíveis no SLAC, permitirá ampliar os estudos em células solares já em andamento na Unicamp, permitindo uma visão sem precedentes sobre os aspectos fundamentais da formação da estrutura cristalina de perovskita e da morfologia dos filmes sob diferentes condições de preparação (ar e nitrogênio, em diferentes temperaturas). Esta colaboração está baseada em resultados recentes obtidos na Universidade de Campinas na formação dos materiais de perovskita e em estudos sobre a estabilidade desses filmes em condições ambiente.

Publicações científicas

(Referências obtidas automaticamente do Web of Science e do SciELO, por meio da informação sobre o financiamento pela FAPESP e o número do processo correspondente, incluída na publicação pelos autores)

BEAL, RACHEL E.; HAGSTROM, NANNA ZHOU; BARRIER, JULIEN; GOLD-PARKER, ARYEH; PRASANNA, ROHIT; BUSH, KEVIN A.; PASSARELLO, DONATA; SCHELHAS, LAURA T.; BRUNING, KARSTEN; TASSONE, CHRISTOPHER J.; et al. Structural Origins of Light-Induced Phase Segregation in Organic-Inorganic Halide Perovskite Photovoltaic Materials. MATTER, v. 2, n. 1, p. 207-219, JAN 8 2020. (16/21426-4)