Usando elementos de terras raras para superar as limitações das células solares
Células solares de perovskita As células solares de perovskita apresentam vantagens em relação à tecnologia atual. Elas têm o potencial de serem mais eficientes, são leves e custam menos do que outras variantes. Em uma célula solar de perovskita, a camada de perovskita é intercalada entre um eletrodo transparente na parte frontal e um eletrodo refletivo na parte traseira da célula. Camadas de transporte de eletrodos e de transporte de lacunas são inseridas entre as interfaces de cátodo e ânodo, o que facilita a coleta de carga nos eletrodos. Existem quatro classificações de células solares de perovskita com base na morfologia, estrutura e sequência de camadas da camada de transporte de carga: estruturas planas regulares, planas invertidas, mesoporosas regulares e mesoporosas invertidas. No entanto, existem várias desvantagens com a tecnologia. Luz, umidade e oxigênio podem induzir sua degradação, sua absorção pode ser descompassada e elas também apresentam problemas com recombinação de carga não radiativa. As perovskitas podem ser corroídas por eletrólitos líquidos, levando a problemas de estabilidade. Para concretizar suas aplicações práticas, é necessário aprimorar sua eficiência de conversão de energia e estabilidade operacional. No entanto, avanços tecnológicos recentes levaram a células solares de perovskita com eficiência de 25,5%, o que significa que elas não estão muito atrás das células solares fotovoltaicas de silício convencionais. Para tanto, elementos de terras raras têm sido explorados para aplicações em células solares de perovskita. Eles possuem propriedades fotofísicas que superam esses problemas. Seu uso em células solares de perovskita, portanto, melhorará suas propriedades, tornando-as mais viáveis para implementação em larga escala em soluções de energia limpa. Como os elementos de terras raras auxiliam as células solares de perovskita Os elementos de terras raras possuem muitas propriedades vantajosas que podem ser utilizadas para aprimorar o funcionamento desta nova geração de células solares. Primeiramente, os potenciais de oxidação e redução em íons de terras raras são reversíveis, reduzindo a oxidação e a redução do próprio material alvo. Além disso, a formação de filmes finos pode ser regulada pela adição desses elementos, acoplando-os tanto a perovskitas quanto a óxidos metálicos transportadores de carga. Além disso, a estrutura de fase e as propriedades optoeletrônicas podem ser ajustadas incorporando-as substitucionalmente à rede cristalina. A passivação de defeitos pode ser alcançada com sucesso incorporando-as ao material alvo, seja intersticialmente, nos contornos de grão, ou na superfície do material. Além disso, fótons infravermelhos e ultravioleta podem ser convertidos em luz visível sensível à perovskita devido à presença de numerosas órbitas de transição energética nos íons de terras raras. As vantagens disso são duplas: evita que as perovskitas sejam danificadas pela luz de alta intensidade e amplia a faixa de resposta espectral do material. O uso de elementos de terras raras melhora significativamente a estabilidade e a eficiência das células solares de perovskita. Modificando Morfologias de Filmes Finos Como mencionado anteriormente, elementos de terras raras podem modificar a morfologia de filmes finos constituídos por óxidos metálicos. Está bem documentado que a morfologia da camada de transporte de carga subjacente influencia a morfologia da camada de perovskita e seu contato com a camada de transporte de carga. Por exemplo, a dopagem com íons de terras raras previne a agregação de nanopartículas de SnO₂, que podem causar defeitos estruturais, e também atenua a formação de grandes cristais de NiOx, criando uma camada uniforme e compacta de cristais. Assim, filmes finos dessas substâncias sem defeitos podem ser obtidos com a dopagem com terras raras. Além disso, a camada de andaime em células de perovskita, que possuem uma estrutura mesoporosa, desempenha um papel importante nos contatos entre a perovskita e as camadas de transporte de carga nas células solares. As nanopartículas nessas estruturas podem apresentar defeitos morfológicos e numerosos contornos de grãos. Isso leva a uma recombinação de cargas não radiativas adversa e grave. O preenchimento de poros também é um problema. A dopagem com íons de terras raras regula o crescimento do arcabouço e reduz defeitos, criando nanoestruturas alinhadas e uniformes. Ao fornecer melhorias para a estrutura morfológica da perovskita e camadas de transporte de carga, os íons de terras raras podem melhorar o desempenho geral e a estabilidade das células solares de perovskita, tornando-as mais adequadas para aplicações comerciais em larga escala. A importância das células solares de perovskita não pode ser subestimada. Elas proporcionarão capacidade superior de geração de energia a um custo muito menor do que as células solares de silício atualmente disponíveis no mercado. O estudo demonstrou que a dopagem da perovskita com íons de terras raras melhora suas propriedades, resultando em melhorias na eficiência e na estabilidade. Isso significa que células solares de perovskita com desempenho aprimorado estão um passo mais perto de se tornar realidade.
Horário da publicação: 04/07/2022 