O melhor de ambos - pontos quânticos e perovskitas se unem para um desempenho estável

Mengxia Liu, principal autor do artigo sobre a combinação de perovskitas e pontos quânticos em um dispositivo híbrido.

Perovskitas e células solares de pontos quânticos têm potencial para uso em dispositivos fotovoltaicos de alta eficiência, mas têm grandes desafios a superar para serem uma realidade comercial. Cientistas da Universidade de Toronto descobriram que, se as duas tecnologias forem combinadas da maneira certa, elas podem se estabilizar.

Cientistas da Universidade de Toronto combinaram dois materiais promissores de tecnologia de células solares - ponto quântico e perovskita - em um único dispositivo.

Ambos os materiais oferecem o potencial para dispositivos fotovoltaicos de alta eficiência e baixos custos de produção, mas são retidos por uma série de problemas, principalmente instabilidade sob condições cotidianas, onde o calor e a umidade que eles enfrentam causa rápida degradação.

Ao combinar os dois em uma estrutura híbrida, no entanto, os pesquisadores de Toronto descobriram que os materiais se estabilizaram mutuamente. A equipe criou dois dispositivos, que são descritos no papel Lattice ancoragem estabiliza semicondutores processados ​​por solução, publicado na revista Nature .

Um dos dispositivos compreendia uma estrutura de ponto quântico com cerca de 15% de perovskitas, principalmente para uso como célula solar. O outro era composto de perovskitas com pouco menos de 15% de materiais de pontos quânticos e destinado principalmente para uso como um LED.

Estabilidade

A equipe relatou que o material rico em perovskita permaneceu estável a 25 graus Celsius e 30% de umidade por seis meses. No dispositivo de ponto quântico, a agregação de nanopartículas - que comumente afeta o desempenho - foi um quinto que foi observado em dispositivos que usam o mesmo material sem perovskita.

Os pesquisadores agora esperam ver seus resultados aproveitados pela indústria e gostariam de testes realizados para buscar sinergias entre outros materiais similares. "Pesquisadores industriais poderiam experimentar usando diferentes elementos químicos para formar as perovskitas ou pontos quânticos", disse o principal autor do estudo, Mengxia Liu, agora pós-doutorado na Universidade de Cambridge. "O que mostramos é que essa é uma estratégia promissora para melhorar a estabilidade nesses tipos de estruturas".

Liu elogiou o ambiente de trabalho colaborativo que ajudou a levar à descoberta, acrescentando: “A perovskita e os pontos quânticos têm estruturas físicas distintas e as semelhanças entre esses materiais têm sido geralmente negligenciadas. Esta descoberta mostra o que pode acontecer quando combinamos ideias de diferentes campos. ”

Ajustar pontos quânticos fortalece e aumenta a eficiência dos painel duplo.

Usando dois tipos de pontos quânticos de "designer", os pesquisadores estão criando janelas solares de painel duplo que geram eletricidade com maior eficiência e criam sombreamento e isolamento para uma boa medida. Tudo isso é possível graças a uma nova arquitetura de janela que utiliza duas camadas diferentes de pontos quânticos de baixo custo sintonizados para absorver diferentes partes do espectro solar.

Pesquisadores do Laboratório Nacional Los Alamos estão criando janelas solares de painel duplo que geram eletricidade com maior eficiência e também criam sombreamento e isolamento. Tudo isso é possível graças a uma nova arquitetura de janela que utiliza duas camadas diferentes de pontos quânticos de baixo custo sintonizados para absorver diferentes partes do espectro solar. A abordagem complementa a tecnologia fotovoltaica existente, adicionando coletores solares de alta eficiência a painéis solares existentes ou integrando-os como janelas semitransparentes na arquitetura de um edifício. 

Créditos: DOE / Los Alamos National Laboratory

"Devido ao forte desempenho que podemos obter com materiais processáveis ​​por solução e de baixo custo, essas janelas de painel duplo baseadas em pontos quânticos e concentradores solares luminescentes ainda mais complexos oferecem uma nova maneira de reduzir o custo da eletricidade solar, "disse o pesquisador Victor Klimov. "A abordagem complementa a tecnologia fotovoltaica existente adicionando coletores solares de alta eficiência a painéis solares existentes ou integrando-os como janelas semitransparentes na arquitetura de um edifício".

A chave para esse avanço é a "divisão do espectro solar", que permite processar separadamente fótons solares de energia mais alta e mais baixa. Os fótons de alta energia podem gerar uma fotovoltagem mais alta, o que poderia impulsionar a potência total. Essa abordagem também melhora a fotocorrente, já que os pontos usados ​​na camada frontal são praticamente "livres de reabsorção".

Para conseguir isso, a equipe de Los Alamos incorpora íons quânticos de manganês que servem como impurezas altamente emissivas. A luz absorvida pelos pontos quânticos ativa essas impurezas. Após a ativação, os íons de manganês emitem luz em energias abaixo do início da absorção de pontos quânticos. Este truque permite a eliminação quase completa das perdas devido à auto-absorção pelos pontos quânticos.

Para transformar uma janela em um coletor de luz solar luminescente conjunto, a equipe de Los Alamos deposita uma camada de pontos quânticos dopados com manganês altamente emissivo na superfície da vidraça frontal e uma camada de pontos quânticos de cobre selênio de índio na superfície da vidraça. A camada frontal absorve as porções azul e ultravioleta do espectro solar, enquanto o resto do espectro é captado pela camada inferior.

Após a absorção, o ponto emite novamente um fóton em um comprimento de onda maior e, em seguida, a luz reemitida é guiada pela reflexão interna total das bordas de vidro da janela. Ali, as células solares integradas na moldura da janela recolhem a luz e convertem-na em eletricidade.

Fonte: DOE / Los Alamos National Laboratory.

Uma interação entre perovskitas e pontos quânticos poderia melhorar as tecnologias de LED e solar.

Pesquisadores em Valência estudaram a interação de dois materiais, perovskita e pontos quânticos, revelando um enorme potencial para o desenvolvimento de LEDs avançados e células solares mais eficientes (Science Advances: "emissão de luz sintonizável por formação de estado exciplex entre perovskita de haleto híbrido e core / shell quantum dotes: Implicações em LEDs avançados e fotovoltaicos").

Pesquisadores da Universitat Jaume I (Universidade James I, UJI) e da Universitat de València (Universidade de Valência, UV) quantificaram o “estado exciplex” resultante do acoplamento de perovskitas halógenas e pontos quânticos coloidais. Ambos conhecidos separadamente por suas propriedades optoeletrônicas, quando reunidos, esses materiais produzem comprimentos de onda muito maiores do que os obtidos apenas pelo material, além de propriedades de ajuste fácil que, juntas, têm o potencial de promover mudanças importantes nas tecnologias de LED e solar.

Os materiais de perovskita são as estrelas em ascensão da indústria fotovoltaica. Eles são baratos de produzir, simples de fabricar e muito, muito eficientes. Melhor ainda, eles são relativamente novos para a cena e ainda há muito potencial para explorar células solares ainda mais eficientes. Eles também são usados ​​na tecnologia LED. Os pontos quânticos (QDs), por sua vez, são uma família de materiais semicondutores com propriedades emissoras de luz muito interessantes, incluindo a capacidade de sintonizar os comprimentos de onda em que a luz é emitida. Eles também são muito úteis em LEDs e células solares.

O resultado de unir os dois materiais é um novo estado exciplex, em que a luz pode ser emitida em comprimentos de onda muito maiores, alcançando o espectro infravermelho, além de permitir o controle da emissão de cor via tensão aplicada. Cada material - a perovskita, o QDs e o novo estado exciplex - emite luz com uma cor diferente, cada um dos quais pode ser ponderado dentro da emissão de luz global para escolher a cor desejada.

Isso significa que os LEDs podem ser projetados para emitir luz sobre os espectros visível e infravermelho ao mesmo tempo, o que teria aplicações no campo das telecomunicações.

Além disso, trabalhando com base no princípio da reciprocidade, esse novo estado potencialmente levará ao desenvolvimento de células solares que podem transformar mais da luz do Sol em energia elétrica. Atualmente, as células solares só podem transformar a luz emitida em uma faixa relativamente estreita de comprimentos de onda. Mas, se for possível produzir luz em comprimentos de onda maiores por meio de uma entrada elétrica, é teoricamente possível obter energia elétrica ao absorver a luz com esses comprimentos de onda mais longos, aumentando assim a eficiência das células solares.

Fonte: Universitat de València, Universidade Jaume I.