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Jul 28, 2023

Novo robô procura materiais de células solares 14 vezes mais rápido

Dina Genkina - 24 de agosto de 2023 15h09 UTC No início deste ano, células solares de duas camadas quebraram recordes com 33 por cento de eficiência. As células são feitas de uma combinação de silício e um material chamado

Dina Genkina - 24 de agosto de 2023 15h09 UTC

No início deste ano, as células solares de duas camadas quebraram recordes com 33% de eficiência. As células são feitas de uma combinação de silício e um material chamado perovskita. No entanto, estas células solares tandem ainda estão longe do limite teórico de cerca de 45% de eficiência e degradam-se rapidamente sob a exposição solar, tornando a sua utilidade limitada.

O processo de melhoria das células solares tandem envolve a busca pelos materiais perfeitos para serem colocados uns sobre os outros, com cada um capturando um pouco da luz solar que falta ao outro. Um material potencial para isso são as perovskitas, que são definidas por sua peculiar estrutura cristalina de losango em um cubo. Essa estrutura pode ser adotada por muitos produtos químicos em diversas proporções. Para ser um bom candidato para células solares tandem, a combinação de produtos químicos precisa ter o bandgap correto – a propriedade responsável pela absorção da parte certa do espectro solar – ser estável em temperaturas normais e, o mais desafiador, não se degradar sob iluminação.

O número de possíveis materiais de perovskita é vasto e é muito difícil prever as propriedades que uma determinada composição química terá. Experimentar todas as possibilidades no laboratório é proibitivamente caro e demorado. Para acelerar a busca pela perovskita ideal, pesquisadores da Universidade Estadual da Carolina do Norte decidiram contar com a ajuda de robôs.

“Lidamos com variantes de materiais sempre que fazemos melhorias nesta tecnologia”, disse Aram Amassian, professor da NCSU e investigador principal do projeto. “Portanto, precisamos da capacidade de criar novos materiais e avaliar esses materiais. Qualquer pessoa que olhe para esses materiais tem que fazer um trabalho repetitivo e muito trabalhoso.”

Para reduzir esse trabalho, a equipe de Amassian construiu um robô, carinhosamente chamado de RoboMapper. O RoboMapper consiste em duas partes principais que trabalham juntas. O primeiro é o bot de preparação de tinta. Dado um conjunto de produtos químicos básicos, este bot os combina em diferentes proporções e os formula em centenas de tintas que podem potencialmente formar perovskitas. O segundo é o bot de impressão, que aplica essas tintas em uma grade em um único substrato.

A capacidade de posicionar centenas de pequenas amostras em um único chip, uma tarefa impossível com a destreza humana, permite aos pesquisadores testar todas essas amostras simultaneamente usando várias ferramentas de diagnóstico. Os pesquisadores dizem que isso acelera a síntese e caracterização de materiais por um fator de 14 em comparação com a exploração manual e por um fator de nove em comparação com outros métodos automatizados.

Para mostrar as capacidades do RoboMapper, os pesquisadores testaram um conjunto específico de potenciais misturas de perovskita. Eles usaram o RoboMapper para misturar três ingredientes básicos em centenas de proporções diferentes e imprimir todas as amostras em um único chip. Eles então testaram essas amostras para determinar sua estrutura, bandgap e estabilidade sob exposição à luz. A partir desses testes acelerados, eles construíram modelos quantitativos relacionando como essas propriedades críticas variam com a mudança da composição. “Somos capazes de construir modelos preditivos e observar as áreas entre os pontos de dados”, disse Amassian. “Às vezes, as melhores composições podem estar em regiões inesperadas do espaço de composição química.”

Usando seu fluxo de trabalho RoboMapper, a equipe de pesquisa identificou com sucesso uma mistura de perovskita “ideal” que exibia as propriedades desejadas para uso em células solares tandem. Esta amostra tinha o bandgap correto e também se degradou lentamente sob exposição à luz em comparação com as alternativas.

Esta descoberta representa um passo preliminar na jornada em direção ao avanço da tecnologia de células solares tandem. A equipe de Amassian testou apenas a perovskita em si e não a combinou com silício (ou qualquer outro substrato) para criar células tandem. Mas os investigadores estão a utilizar a sua ferramenta acelerada para testar outras misturas potenciais e estão rapidamente a encontrar novos candidatos promissores.