Perovskita: promessa da tecnologia fotovoltaica

Descubra por que as células solares de perovskita podem ser o futuro da energia solar – e quais são os entraves

A perovskita é um mineral de óxido de cálcio e titânio, com a fórmula química CaTiO3. O mineral foi descoberto nos Montes Urais da Rússia por Gustav Rose em 1839. Seu nome se deve ao mineralogista russo Lev Perovski (1792-1856).

Estrutura

Os termos perovskita e estrutura de perovskita são frequentemente usados ​​alternadamente. Porém, o verdadeiro mineral é formado de cálcio, titânio e oxigênio na forma CaTiO3. Já uma estrutura é qualquer coisa que tenha a forma genérica ABX3 e a mesma estrutura cristalina da perovskita (o mineral).

A maneira mais simples de descrever uma estrutura de perovskita é como uma célula unitária cúbica com átomos de titânio nos cantos (cinza), átomos de oxigênio nos pontos médios das bordas (verde e azul) e um átomo de cálcio (roxo) no centro. Tons escuros são usados ​​para indicar camadas mais atrás.

O arranjo da rede perovskita pode ser descrito como um grande cátion atômico ou molecular (positivamente carregado) do tipo A no centro de um cubo. Os cantos do cubo são então ocupados por átomos B (também cátions com carga positiva) e as faces do cubo são ocupadas por um átomo menor X com carga negativa (ânion).

Dependendo de quais átomos ou moléculas são usados ​​na estrutura, as perovskitas podem ter um conjunto impressionante de propriedades interessantes. Isso inclui “magnetorresistência colossal” – sua resistência elétrica muda quando elas são colocadas em um campo magnético (o que pode ser útil para microeletrônica).

Algumas perovskitas funcionam como supercondutores, o que significa que podem conduzir eletricidade sem nenhuma resistência. Esse material exibe muitas outras propriedades interessantes e intrigantes: 

• Ferroeletricidade
• Ordenação de carga
• Alta termeletricidade

Interação de propriedades estruturais, magnéticas e de transporte são características bastante observadas nesta família. Por isso, oferece oportunidades estimulantes para físicos, químicos e cientistas materiais.

Células solares de perovskita

Em geral, a energia solar já é um tipo de energia renovável. Ou seja, não emite os poluentes associados à agravação das mudanças climáticas. Porém, o uso do mineral no desenvolvimento de células solares pode oferecer ainda mais vantagens à energia solar. 

A aplicação de perovskita como células solares é proeminente. Afinal, as sintéticas são reconhecidas como materiais de base para fotovoltaicos de baixo custo e alta eficiência. Especialistas preveem que o mercado de células fotovoltaicas de perovskita chegará a 214 milhões de dólares em 2025.

Perovskita no Brasil 

Em 2016, a Unicamp foi a primeira instituição a produzir células solares de perovskita no Brasil. O material vem sendo pesquisado desde de 1960, mas apenas recentemente teve a aplicação voltada para a geração de energia solar. Ele é uma alternativa mais acessível e eficiente às células de silício, empregadas amplamente em sistemas fotovoltaicos.

Especialistas acreditam que o uso do material em sistemas fotovoltaicos resultará em maior eficiência energética. Logo, abrirá um um mercado altamente competitivo, reduzindo o valor dos painéis solares. Além disso, as células solares de perovskita oferecem atributos adicionais como flexibilidade, semitransparência, filme fino, peso leve e baixos custos de processamento.

O mineral oferece uma vantagem significativa sobre o silício em aplicações fotovoltaicas. Uma vez que as perovskitas reagem a uma gama mais ampla de frequências de luz visível. Isso significa que convertem mais luz solar em eletricidade do que o silício.

A tecnologia ainda não está totalmente pronta comercialmente. Essas células solares deverão enfrentar vários desafios antes que o sucesso comercial possa ser alcançado.

Entre essas questões estão a durabilidade, a pouca estabilidade das células em ar úmido e o risco de que possam liberar chumbo. Afinal o elemento é altamente tóxico para o meio ambiente.

Painel solar: chave para o sucesso

Um estudo publicado no jornal Nano Energy constatou que pesquisadores desenvolveram um método para aumentar a vida útil, a eficiência e a estabilidade das células solares à base de perovskita. Ele consiste na sintetização do pó cristalino, necessário para a absorção da luz solar, a partir de um processo de engenharia mais preciso. Nele, foram empregados materiais e etapas extras, que propiciaram resultados positivos.

Uma equipe de cientistas liderada pela Rice University alcançou uma referência no design de células solares atomicamente finas feitas de perovskitas semicondutoras. Assim aumentando sua eficiência e mantendo sua capacidade de resistir ao meio ambiente.

Os pesquisadores descobriram que a própria luz solar contrai o espaço entre as camadas atômicas em perovskitas 2D. O que é suficiente para melhorar a eficiência fotovoltaica do material em até 18%.

Luz azul é enorme progresso para LEDs baseados em perovskita

Em 2021, pesquisadores da Universidade de Linköping, Suécia, desenvolveram diodos emissores de luz azul eficientes baseados em perovskitas de haleto. Os novos LEDs podem abrir caminho para uma iluminação acessível e com baixo consumo de energia.

A iluminação é responsável por cerca de 20% do consumo global de eletricidade. Esse número poderia ser reduzido para 5% se todas as fontes de luz consistissem em diodos emissores de luz (LEDs). Os LEDs branco-azulados atualmente em uso exigem complexos métodos de fabricação e são caros. Isso torna mais difícil alcançar uma transição global.

LEDs fabricados a partir de perovskitas halogenadas podem ser uma alternativa acessível e sustentável para monitores de iluminação e baseados em LED. Usando elementos do grupo halogênio, flúor, cloro, bromo e iodo, o material pode receber propriedades que dependem da composição química do cristal.

Já foram criados LEDs para luz verde e vermelha com perovskitas, mas ainda faltava uma cor: a azul. Segundo Feng Gao, professor do Departamento de Física, Química e Biologia da Universidade de Linköping, a luz azul é a chave para trazer as perovskitas emissoras de luz para aplicações práticas.

Desafios do uso da perovskita

O desafio de criar luz azul é que ela requer uma composição química com grande fração de cloreto, o que a torna instável. LEDs baseados em perovskita azul foram criados anteriormente com o uso do que é conhecido como “técnica de confinamento quântico”. Ela fornece LEDs de baixa intensidade com baixa eficiência.

Entretanto, perovskitas estáveis ​​com a quantidade desejada de cloreto podem ser criadas com o auxílio da “técnica de cristalização assistida por vapor”. Além disso, os pesquisadores da Universidade de Linköping alcançaram uma eficiência energética de até 11% para os LEDs azuis baseados em perovskita.

A ciência das perovskitas é um campo de pesquisa relativamente novo que tem despertado grande interesse internacional. Isso porque oferece um grande potencial para o desenvolvimento de materiais baratos e eficientes. Porém, os pesquisadores apontam a necessidade de mais estudos para que as aplicações possam ser feitas.