Café solar: aumentando a eficiência das células solares devido à cafeína

A manhã começa difícil, especialmente se você acordar às cinco e meia. Do lado de fora da janela chove, escondendo sob os guarda-chuvas os rostos de algumas cotovias correndo para o trabalho, e as corujas voltando para casa em etapas medidas. O despertador, sendo uma escória por natureza, continua com sua precisão inerente a tocar pela terceira vez. E, por alguma razão, começa a parecer que ele está fazendo isso com irritação e censura. Observando a regra do terceiro sinal de relógio noturno do Game of Thrones, você precisa sair da cama na terceira ligação e, como caminhantes brancos, caminhar em direção à cozinha. Chaleira, xícara, açúcar, café. É isso aí, a manhã começou oficialmente.

Este pequeno ensaio transmite claramente a rotina matinal de muitos de nós. E seu principal atributo é o café, sem o qual, às vezes, é difícil lembrar a presença do cérebro no crânio. O efeito revigorante do café é o resultado do efeito psicoestimulador da cafeína. Do que estou falando, um grupo de cientistas, por diversão, decidiu usar cafeína para melhorar as células fotoelétricas. E como sabemos, em toda piada há alguma verdade, porque essa idéia engraçada deu resultados surpreendentes na prática. Como a cafeína foi implementada nas fotocélulas, quais indicadores poderiam ser aprimorados e quanto justifica essa melhoria? Encontraremos respostas para essas e outras perguntas (não, não nos grãos de café) em um relatório dos cientistas. Vamos lá

Base de estudo

Como mencionei anteriormente, este estudo realmente se originou como uma piada sobre uma xícara de café da manhã na cafeteria do laboratório. No entanto, os cientistas não seriam cientistas se não tivessem tentado implementar algo assim, embora ridículo à primeira vista.

Além da cafeína, a principal experimental não foi uma simples célula fotoelétrica, mas a perovskita.

A fotocélula * é um dispositivo eletrônico para converter energia de fótons (luz solar) em energia elétrica.

A perovskita * é um mineral raro de titanato de cálcio (CaTiO ₃ ).

Uma fotocélula de perovskita é baseada em materiais de um híbrido orgânico-inorgânico de halogeneto de perovskita (daqui em diante PVSK ). O PVSK é um avanço real na energia solar, o que é confirmado pelas estatísticas de uso: 3,8% em 2009 e 23,3% no final de 2018. No entanto, regozije-se com o sucesso desse material até agora apenas em condições de laboratório, porque problemas com estabilidade a longo prazo não permitem seu uso na produção comercial de células solares. Por exemplo, PVSKs à base de césio (Cs) e formamidínio (FA), popular em pesquisas, não podem funcionar normalmente à temperatura ambiente em termos de propriedades termodinâmicas. Mas ele pode usar PVSK à base de metil amônio (PV).

Mas isso também não é tão simples: o cátion orgânico MA PVSK é volátil, o que resulta na decomposição rápida do PVSK e na precipitação do iodeto de chumbo trigonal (PbI ₂ ) a temperaturas elevadas.

Há também um problema com os íons dentro do PVSK. Os pesquisadores dão um exemplo vívido: o íon I pode facilmente passar por grãos policristalinos de PVSK e ir além da camada de PVSK, e depois agir em um eletrodo de metal sob a influência da energia térmica. Isso causa defeitos na forma de seções de recombinação não radiativa. Além disso, os grãos PVSK orientados aleatoriamente podem levar a uma fraca transferência de carga na direção vertical, o que é uma conseqüência do processo de crescimento rápido e descontrolado do filme PVSK.

Segundo os cientistas, a grande maioria dos trabalhos para melhorar o desempenho das células solares baseadas em PVSK visava os próprios dispositivos, sua arquitetura e melhorias estruturais, e não o PVSK.

No mesmo estudo, os cientistas aplicaram 1,3,7-trimetil-xantina, um nome científico fantástico para cafeína (estrutura de Lewis e modelo tridimensional 1A abaixo) ao PVSK baseado em metil amônio (MA). Usando grupos carboxila sob várias condições químicas, a cafeína se tornou um tipo de "porta molecular" que interagia com os ^íons Pb ²⁺ , retardando o crescimento de cristais de PVSK. Além disso, foi possível alcançar a orientação desejada aumentando a energia de ativação.

Como resultado, foi possível obter excelente cristalinidade dos filmes de PVSK com cafeína e menor densidade de defeitos, além de melhor transferência vertical de carga. E o coeficiente de desempenho obtido (COP) era anteriormente inimaginável para esta tecnologia 20,25%. Quanto à estabilidade térmica do dispositivo, os cientistas conseguiram alcançar a estabilidade a uma temperatura de 85 ° C por mais de 1300 horas.

Esses são realmente excelentes resultados, especialmente considerando as raízes cômicas deste estudo. Agora, vamos dar uma olhada em como e como funcionou.

Resultados da pesquisa

Imagem Nº 1

A Figura 1B mostra os resultados da espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier de cafeína (linha azul), MAPbI ₃ puro (linha preta) e MAPbI ₃ com cafeína (linha vermelha). As vibrações de alongamento relacionadas às duas ligações C = O da cafeína pura aparecem em 1,652 cm ^-1 e 1,699 cm ^-1 . Quando a cafeína foi adicionada ao filme MAPbI ₃ , foi observado um deslocamento de C = O com uma frequência mais baixa de 1,652 a 1,657 cm ^-1 , enquanto o modo vibratório C = O de 1,699 cm ^-1 mantém seu valor original. Isso é uma indicação de que a cafeína está presente no filme MAPbI ₃ após o recozimento e, possivelmente, formou um aduto com MAPbI ₃ através da interação entre Pb ²⁺ no PVSK e uma das ligações C = O da cafeína.

Para confirmar ainda mais o efeito da cafeína no PVSK, os cientistas realizaram espectroscopia do aducto PbI ₂ -MAI-DMSO-cafeína, que também mostrou um deslocamento de C = O de 1652 para 1643 cm ^-1 ( 1C ).

Essas observações confirmam que a interação entre C = O na cafeína e os ^íons Pb ²⁺ forma uma porta molecular que aumenta a energia de ativação. E isso, por sua vez, diminui o processo de crescimento de cristais PVSK, melhorando a cristalinidade geral dos filmes PVSK. Além disso, esse portão molecular possivelmente irá interagir com PVSK amorfizado após o aquecimento, o que pode impedir a decomposição térmica.


Imagem No. 2

A imagem 2A é uma imagem SEM transversal de um filme de cafeína PVSK. Alterações na atenuação da fotoluminescência estacionária ( 2B ) e fotoluminescência resolvida no tempo ( 2C ) foram realizadas para estudar a qualidade do filme e a dinâmica da recombinação da carga. A intensidade de fotoluminescência do filme PVSK com cafeína (linhas pretas) foi 6 vezes maior que a dos filmes sem cafeína (linhas vermelhas). Também foi observada uma mudança azul de 770 para 763 nm, que mais uma vez confirma a diminuição do número de defeitos durante a incorporação de cafeína na estrutura do filme PVSK.

Em seguida, foi realizada análise de difração de raios-X para estudar a estrutura cristalina do filme PVSK depositado em um substrato de índio e óxido de estanho ( 2D ). E para filmes com e sem cafeína, nenhum pico de difração foi encontrado em 12,5, o que corresponde aos planos (001) de PbI ₂ hexagonal. Ambos os filmes mostraram a mesma fase tetragonal de PVSK com um reflexo dominante (110) da rede em 13,9, o que é uma excelente orientação para os filmes de PVSK estudados. A proporção de intensidade de pico (110) em 13,9 para intensidade de pico (222) em 31,8 aumentou de 2,00 para 2,43 quando a cafeína foi adicionada. Isso indica um crescimento mais rápido de (110) grãos que absorvem grãos orientados aleatoriamente.

Os tamanhos dos grãos também foram medidos usando a fórmula de Scherrer e a meia largura do pico (110). Com a introdução da cafeína, o tamanho dos grãos aumentou de 37,97 para 55,99 nm.

A Figura 2E mostra um gráfico do ângulo azimutal normalizado ao longo do plano (110) dos filmes MAPbI ₃ sem cafeína (linha vermelha) e com cafeína (linha preta). Em um ângulo de 90 °, um filme com cafeína mostra um pico bastante pronunciado em comparação com um cativo descafeinado. Uma meia largura mais estreita sugere que a cafeína contribuiu para o crescimento dos grãos de PVSK ao longo do avião, o que melhora a transferência de carga.

Os cientistas realizaram uma análise da fotocorrente transitória ( TPC ) e da tensão fotovoltaica transitória ( TPV ).

As fotocélulas experimentais foram feitas considerando a estrutura planar do estreitamento, e o óxido de índio e estanho (ITO) atuou como ânodo. Por sua vez, nanopartículas de óxido de estanho foram usadas como uma camada de transporte de elétrons. MAPbI ₃ puro e MAPbI ₃ contendo cafeína agiram como uma camada ativa. O papel da camada de transporte de furos (quasipartículas com carga positiva) foi desempenhado pela poli [bis (4-fenil) (2,4,6-trimetilfenil) amina] ([C ₆ H ₄ N (C ₆ H ₂ (CH ₃ ) ₃ ) C ₆ H ₄ ] _n ) dopado com 4-isopropil-40-metildifenil-iodônio tetraquis (pentafluorofenil) borato (C ₄₀ H ₁₈ BF ₂₀ I). A prata (Ag) foi utilizada para o cátodo.


Imagem No. 3

A Figura 3A mostra curvas de JV (densidade de corrente, mA / cm2) de dispositivos baseados em MAPbI ₃ puro e MAPbI ₃ / cafeína obtidos usando o sol artificial AM1.5G com uma intensidade de 100 mW / cm ² . A porcentagem de cafeína incorporada no sistema variou de 0 a 2% da massa total.

Um aumento na quantidade de cafeína introduzida em 1% levou a um aumento em algumas características, a saber: tensão de circuito aberto (V _oc ), corrente de curto-circuito (J _sc ), ciclo de trabalho (FF) e reprodutibilidade.

A eficiência máxima (PCE na tabela abaixo) de MAPbI ₃ puro (sem cafeína) foi de 17,59% (V _oc : 1,074 V, J _sc : 22,29 mA / cm2, FF: 73,46%). Mas quando há 1% de cafeína no sistema, o índice de eficiência aumentou para 20,25% (V _oc : 1,143 V, J _sc : 22,97 mA / cm ² , FF: 77,13%).

Os cientistas atribuem o aumento de V _oc e FF a uma diminuição da recombinação não-radiativa e defeitos cristalinos, resultado da passivação devido à incorporação de cafeína no sistema. O parâmetro J _Sc também aumentou de 22,29 para 22,97 mA / cm ² (gráfico 3B ).

Para um estudo mais detalhado do efeito da cafeína no desempenho do sistema, os cientistas realizaram uma análise comparativa da cinética da transferência de carga e da recombinação de carga de células com e sem cafeína. A análise mostrou ( 3C ) que a vida útil da recombinação de carga ( _tr ) de um dispositivo com cafeína (285 ms) foi significativamente mais longa do que sem cafeína (157 ms). Daqui resulta que a concentração de defeitos é muito menor. Nesse caso, o tempo de transferência de carga (t _t ) quando a cafeína foi adicionada ao dispositivo diminuiu de 2,67 para 2,08 ms.


Tabela de indicadores dependendo da concentração de cafeína.

Para confirmar o efeito do obturador molecular da cafeína nas células solares durante o processo de decomposição térmica, os cientistas realizaram um teste de resistência a cargas térmicas constantes: 85 ° C em um meio de nitrogênio.

O dispositivo com cafeína mostrou excelente estabilidade térmica, mantendo 86% da eficiência original após 1300 horas. Mas o dispositivo descafeinado nas mesmas condições retinha apenas 60% da eficiência primária. Os cientistas atribuem isso à migração de íons, baixa cristalização e instabilidade de fase do MAPbI ₃ puro a altas temperaturas.


Imagem No. 4

Os cientistas precisavam entender com mais detalhes o efeito da cafeína no funcionamento das células solares em termos de migração de íons e decomposição de fases. Para isso, foi realizada uma análise de difração de raios X ( 4B ) dos dispositivos após testes de estabilidade térmica.

O dispositivo sem cafeína mostrou um pico bastante grande em 12,5, associado ao plano (001) de PbI ₂ hexagonal. A difração muito fraca em 13,9 implica degradação completa do cristal PVSK. Mas foi observada uma difração relativamente forte de 38,5 em relação ao plano (003) de PbI ₂ .

Como mencionado anteriormente, a muito boa cristalinidade do PVSK devido à adição de cafeína deve impedir a migração de íons durante o aquecimento. A análise termogravimétrica da cafeína e do aducto foi realizada para estabelecer a estabilidade da fase e as propriedades térmicas da cafeína e a fase intermediária do aducto. Os gráficos 4C e 4D mostram a perda de massa e o fluxo de calor da cafeína, PVSK puro e PVSK + cafeína.

A análise mostrou que a cafeína se decompõe completamente a uma temperatura de cerca de 285 ° C, enquanto mostrou excelente estabilidade térmica em temperaturas abaixo de 200 ° C. No gráfico 4C, podemos ver três estágios de perda de massa de PVSK puro: 70 ° C, 340 ° C e 460 ° C. Isto é devido à sublimação de DMSO, MAI e PbI ₂ , respectivamente. A temperatura de sublimação do MAI e do PbI ₂ para a cafeína PVSK + foi significativamente maior, indicando a necessidade de mais energia para romper a ligação entre a cafeína e a PVSK. Esta afirmação é apoiada por uma análise de fluxos de calor ( 4D ). Assim, a ligação entre cafeína e PVSK forma uma porta molecular, o que aumenta a taxa de energia de ativação de decaimento necessária durante o aquecimento.

Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo fortemente que você analise o relatório dos cientistas e materiais adicionais .

Epílogo

Este estudo mostrou que a introdução de cafeína em materiais PVSK permite obter células fotoelétricas com alta eficiência, reduzir a migração de íons, reduzir o número de defeitos e melhorar a estabilidade térmica. O uso de materiais PVSK começou há pouco tempo, mas já é considerado o ramo mais promissor da energia solar. E isso significa que é necessário melhorar todos os aspectos dessa tecnologia, se queremos obter dispositivos com alto desempenho e baixo custo. Este trabalho se refere apenas a pesquisas voltadas exatamente para isso.

Usar cafeína no desenvolvimento de células solares soa como uma piada, era uma piada sobre uma xícara de café da manhã no laboratório. Mas as piadas são ruins para os cientistas, e qualquer uma, mesmo a mais estranha, pode dar um excelente resultado se você aplicar conhecimento, criatividade e um pouco de abordagem criativa.

Obrigado pela atenção, continuem curiosos e tenham uma boa semana de trabalho, pessoal.

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