Revolucionárias células solares de pontos quânticos batem recorde de eficiência

Redação do Site Inovação Tecnológica - 21/02/2024

A equipe espera que sua abordagem permita elevar rapidamente o nível dos recordes de eficiência.
[Imagem: Havid Aqoma et al. - 10.1038/s41560-024-01450-9]

Pontos quânticos de perovskita

Engenheiros coreanos alcançaram um recorde de eficiência das células solares de pontos quânticos, um salto significativo em direção à comercialização dessas células solares de próxima geração.

Os pontos quânticos tornaram-se píxeis nas telas mais modernas porque essas partículas semicondutoras recebem a eletricidade e a transformam em luz com grande eficiência. Mas eles também podem funcionar invertidos, pegando a luz e transformando-a em eletricidade, o que tem levado a um grande interesse em usá-los como células solares.

"A tecnologia que desenvolvemos alcançou uma eficiência impressionante de 18,1% em células solares de pontos quânticos," afirmou o professor Sung-Yeon Jang, do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Ulsan.

A abordagem inovadora consistiu na síntese de pontos quânticos de perovskita baseados em cátions orgânicos, garantindo estabilidade excepcional ao mesmo tempo em que suprime defeitos internos na camada fotoativa das células solares - os protótipos mantiveram sua eficiência mesmo após armazenamento a longo prazo.

"Pesquisas anteriores com células solares de ponto quântico empregavam predominantemente PQDs inorgânicos," observou Sang-Hak Lee, responsável pela inovação. "Através deste estudo, demonstramos o potencial ao enfrentar os desafios associados aos PQDs orgânicos, que se revelaram difíceis de utilizar." - PQD é a sigla em inglês para "ponto quântico de perovskita".

A eficiência alcançada ainda é menos do que a metade das células solares mais avançadas de semicondutores tradicionais, mas o feito está sendo comemorado porque rompe uma dificuldade que vinha travando o desenvolvimento desta nova tecnologia.

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Células solares de pontos quânticos

Pontos quânticos são nanocristais semicondutores com dimensões típicas que variam de alguns a dezenas de nanômetros, sendo que suas propriedades fotoelétricas variam de acordo com seu tamanho. O interesse neles cresceu ainda mais depois que, no ano passado, os três cientistas que descobriram e desenvolveram essas nanopartículas semicondutoras receberam o Prêmio Nobel de Química.

Os PQDs (pontos quânticos de perovskita), em particular, têm atraído atenção significativa devido às suas excelentes propriedades fotoelétricas. Além disso, seu processo de fabricação envolve uma simples pulverização ou a aplicação em solvente, eliminando a necessidade do processo de crescimento em substratos. Essa abordagem simplificada permite uma produção de alta qualidade, em vários ambientes de fabricação, a um custo muito baixo.

No entanto, seu uso prático como células solares depende de uma tecnologia que reduza a distância entre os pontos quânticos através de um ligante de troca - uma molécula grande que se conecta à superfície dos pontos quânticos para interligá-los. Os pontos quânticos de perovskita orgânicos são mais problemáticos, apresentando defeitos em seus cristais e superfícies durante o processo de substituição. As células solares de pontos quânticos de perovskita inorgânicos, por sua vez, estão estacionadas em uma eficiência próxima a 16%.

A equipe rompeu essa barreira empregando uma estratégia de ligantes de troca à base de iodeto de alquilamônio, substituindo efetivamente os ligantes por pontos quânticos de perovskita orgânicos, com excelente aproveitamento solar. Este avanço permite a criação de uma camada fotoativa de pontos quânticos para células solares com alta eficiência de substituição e defeitos controlados.

Consequentemente, a eficiência dos PQDs orgânicos, anteriormente limitada a 13% utilizando a tecnologia existente de substituição de ligantes, foi significativamente melhorada para 18,1%. Além disso, estas células solares demonstram uma estabilidade excepcional, mantendo o seu desempenho mesmo após armazenamento a longo prazo por mais de dois anos.

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