Pesquisa brasileira avança na compreensão de materiais que são o futuro da energia solar

Estudo vinculado ao Centro de Inovação em Novas Energias (CINE) revela detalhes de filmes de perovskita com precisão inédita

Imagem: Jornal da Unicamp
Ana Flávia Nogueira, docente do Instituto de Química e coordenadora de uma das divisões de pesquisa do Centro de Inovação em Novas Energias
Ana Flávia Nogueira, docente do Instituto de Química e coordenadora de uma das divisões de pesquisa do Centro de Inovação em Novas Energias

As perovskitas são uma classe de materiais que transformou drasticamente o cenário de produção de energia com o seu uso em células fotovoltaicas nos últimos anos, recebendo, por isso, grande atenção da comunidade científica em todo o mundo. Do início das pesquisas, em 2009, chegou-se, em apenas cinco anos, a uma eficiência de conversão da energia solar em energia elétrica superior a 20%, valor que segue crescendo e, hoje, se equipara ao das células fotovoltaicas à base de silício, que dominam o mercado mundial. “Nunca uma tecnologia fotovoltaica cresceu tanto em tão pouco tempo, com a vantagem da sua fabricação ser mais rápida, simples e mais barata que a do silício, por exemplo”, afirma Ana Flávia Nogueira, docente do Instituto de Química da Unicamp e coordenadora de uma das divisões de pesquisa do Centro de Inovação em Novas Energias (CINE), centro de pesquisa em engenharia financiado pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp), em parceria com a Shell.

Apesar dos avanços, restam desafios importantes para a aplicação comercial das células fotovoltaicas de perovskita. “Inicialmente, houve uma corrida pela eficiência, mas, agora que alcançamos índices satisfatórios, a comunidade de pesquisa na área está voltando um pouco, buscando compreender melhor esse material, com tanto potencial e sobre o qual ainda restam muitas questões em aberto”, situa Nogueira. Na Divisão de Portadores Densos de Energia (DEC) do CINE, coordenada pela pesquisadora, os estudos acontecem em três frentes principais: perovskitas sem chumbo, que apresenta o problema da toxicidade; produção de dispositivos em grande escala; e, justamente, estudos fundamentais da físico-química das perovskitas. E, com a ajuda do Laboratório Nacional de Luz Sincrotron (LNLS), o grupo acaba de conseguir “enxergar” o que ninguém antes havia visto: os grãos individuais em filmes de dois tipos de perovskita híbrida orgânica-inorgânica (CsFAMA e FAMA). Para tanto, utilizou uma técnica inovadora que, agora, poderá ser usada no mapeamento em escala nanométrica e, assim, na análise e produção de conhecimento sobre todo um conjunto de outros filmes.

Rodrigo Szostak, autor da pesquisa de doutorado que originou o artigo
Rodrigo Szostak, autor da pesquisa de doutorado que originou o artigo

“Durante o preparo dos filmes, temos a formação de impurezas, ou de outras estruturas cristalinas, em um processo que não é inteiramente compreendido. Com as técnicas usuais, de raios-x, nós conseguimos saber que essas diferentes fases estão lá, mas não mapear a sua localização”, explica Nogueira. Dentre essas fases – que têm a mesma composição, mas arranjos diferentes dos átomos –, a pesquisadora descreve que há uma ativa, ou seja, promove o efeito fotovoltaico (chamada de black phase), e outra que não é fotoativa, a fase amarela (yellow phase). “No LNLS, usamos a radiação Sincrotron na região do infravermelho, concentrada na ponta do microscópio. Com esse uso pioneiro do chamado nanoinfravermelho, é possível escolher exatamente o grão que queremos analisar e, a partir do seu espectro de infravermelho, uma espécie de ‘impressão digital’, de ‘assinatura’ daquela fase, conseguimos saber onde ela está, em qual grão”, detalha. “Futuramente, essa compreensão pode permitir, por exemplo, que na síntese aumentemos a fase ativa nos filmes de perovskita”, conclui.

Os resultados do estudo foram publicados em 25 de outubro no periódico Science Advances, do grupo Science, no artigo intitulado “Nanoscale mapping of chemical composition in organic-inorganic hybrid perovskite films”. O primeiro autor é Rodrigo Szostak, cuja pesquisa de doutorado, sob orientação de Ana Flávia Nogueira e co-orientação de Hélio Tolentino e Raul de Oliveira Freitas, ambos do LNLS, levou aos resultados reportados. Além deles, também assinam a publicação outros pós-graduandos ligados ao Laboratório de Nanotecnologia e Energia Solar, coordenado por Nogueira, outros pesquisadores do LNLS e parceiros internacionais da Suíça (EPFL).

Ilustração dos procedimentos realizados e capa da Science Advances (Imagem: Divulgação)
Ilustração dos procedimentos realizados e capa da Science Advances (Imagem: Divulgação)

CINE
O Centro de Inovação em Novas Energias foi lançado em maio de 2018, com financiamento da Fapesp e da Shell e hub de coordenação sediado na Unicamp. Além da Unicamp, a Universidade de São Paulo (USP) e o Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (Ipen) também lideram o centro, em colaboração com seis outras instituições nacionais e 14 de outros países. Além da Divisão de Portadores Densos de Energia (DEC) com foco na geração de hidrogênio e conversão de CO2 a partir da luz solar, o Centro conta com três outras divisões: Armazenamento Avançado de Energia (AES), Metano a Produtos (M2P) e Ciência Computacional de Materiais e Química (CMSC). Juntas, as quatro divisões conduzem mais de 20 projetos de pesquisa. Mais informações em cine.org.br.

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