Células solares orgânicas imunes aos estragos da água, ar e luz

Eder Oelinton

6 de maio de 2019

Estima-se que o mercado de células solares orgânicas cresça mais de 20% entre 2017 e 2020, impulsionado pelas vantagens sobre as tradicionais células solares de silício: elas podem ser produzidas em massa em grande escala usando o processamento rolo a rolo; os materiais que os compreendem podem ser facilmente encontrados na terra e podem ser aplicados a células solares através da química verde; eles podem ser semitransparentes e, portanto, menos visualmente invasivos, o que significa que podem ser montados em janelas ou telas e são ideais para dispositivos móveis; eles são ultra-flexíveis e podem esticar; e eles podem ser ultra-leves.

Ao contrário das células solares de silício, as células orgânicas são altamente vulneráveis à umidade, oxigênio e luz solar em si. A remediação de última geração envolve o encapsulamento da célula, o que aumenta o custo de produção e o peso unitário, reduzindo a eficiência.

Pesquisadores da Escola de Engenharia Tandon da Universidade de Nova York descobriram um meio notável de tornar os painéis solares orgânicos mais robustos, conferindo resistência ao oxigênio, água e luz, fazendo o oposto: removendo, não adicionando, material.

A equipe, liderada por André Taylor, professor de engenharia química e biomolecular na Escola de Engenharia da NYU Tandon, incluindo Jaemin Kong, pesquisador de pós-doutorado na NYU e pesquisadores no laboratório de Materiais Transformadores e Dispositivos da Universidade de Yale, realizou o equivalente molecular do papel de depilação por cera: eles usaram uma fita adesiva para retirar as moléculas aceitadoras de elétrons, o derivado de fulereno conjugado éster metílico do ácido fenil-C61-butírico (PCBM), da superfície mais superior da camada fotoativa da célula solar, deixando apenas polímeros orgânicos não reativos expostos. Um dos maiores culpados na degradação de dispositivos é a oxidação desses derivados de fulerenos. Removendo PCBM da superfície do filme exposto reduz a chance de encontros com fontes de oxidação, como moléculas de oxigênio e água, sendo este último especialmente prejudicial para PCBM.

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Em Células Solares Orgânicas Subaquáticas através da Remoção Seletiva de Aceitores de Elétrons perto do Eletrodo Superior, uma reportagem de capa na edição de abril da ACS Energy Letters, a equipe testou uma célula orgânica cuja camada ativa é uma mistura de PCBM e polímero conjugado mais resiliente (3-hexiltiofeno) (P3HT). Depois de aplicar a fita adesiva na superfície da camada fotoativa do filme, eles trataram a célula com calor e pressão e, uma vez que o filme retornou à temperatura ambiente, retiraram lentamente a fita da superfície do filme.

Depois disso, apenas 6% dos componentes do aceitador de PCBM permaneceram, de acordo com os pesquisadores, criando uma superfície rica em polímeros. Eles explicaram que isso minimizava o contato dos aceptores de elétrons fulerenos com moléculas de oxigênio e água, enquanto a superfície rica em polímero aumentava drasticamente a adesão entre a camada fotoativa e o eletrodo de metal superior, o que evita outro problema que ocorre com a flexão: delaminação do eletrodo.

“Nossos resultados finalmente demonstram que a remoção seletiva de aceptores de elétrons perto do eletrodo top leva a células solares orgânicas altamente duráveis que podem até funcionar sob a água sem encapsulação”, disse Taylor.

Kong acrescentou: “Nós demonstramos quanto tempo a célula dura sob exposição à água sem perda significativa de eficiência”, disse Kong. “Além disso, usando nossa técnica de remoção de fita, podemos controlar a distribuição composicional em uma direção vertical da camada fotoativa, o que, consequentemente, leva a uma melhor extração de carga das células solares.”

Taylor disse que os testes de estresse pós-procedimento incluíram submeter as unidades solares a 10.000 ciclos de flexão para demonstrar que a técnica é robusta. Ele explicou que também confere resistência à água a células solares orgânicas, um benefício para produtos como relógios de mergulho movidos a energia solar.

“Mas se você olhar para o caso de uso óbvio dos painéis solares, você precisa garantir que os fotovoltaicos orgânicos possam competir com o silício nos telhados, na chuva e na neve. É aí que as células solares orgânicas simplesmente não são capazes de competir por muito tempo. Estamos mostrando um caminho para tornar isso possível “, disse Taylor.

Esta pesquisa foi apoiada por um subsídio da National Science Foundation e um Prêmio Presidencial NSF para Cientistas e Engenheiros.

Materiais fornecidos pela NYU Tandon School of Engineering. Publicado em Science Daily