Feixe centenas de vezes mais fino que um fio de cabelo ajuda a desvendar células solares

Cientistas brasileiros desenvolveram uma tecnologia capaz de acompanhar o interior de uma célula solar enquanto ela produz eletricidade. Instalado no acelerador Sirius, em Campinas, o sistema utiliza raios X para observar mudanças microscópicas provocadas por calor, iluminação e umidade, condições que podem ajudar a explicar por que determinados materiais perdem desempenho com o tempo.

O trabalho foi realizado no Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), com apoio da FAPESP, e tem como um dos principais alvos as células solares de perovskita. Esses materiais alcançaram elevada eficiência e podem ser fabricados por processos relativamente simples, mas sua estabilidade ainda representa um desafio.

Durante o funcionamento, temperatura, luz, umidade e a própria tensão elétrica podem modificar a estrutura e a composição da célula. A nova plataforma permite relacionar essas transformações microscópicas ao desempenho do dispositivo, acompanhando composição química, estrutura atômica, morfologia e características eletrônicas.

Feixe é centenas de vezes mais fino que um fio de cabelo

O feixe de raios X utilizado tem cerca de 200 nanômetros, centenas de vezes mais fino que um fio de cabelo humano. Nessa escala, uma pequena dilatação causada pelo calor poderia deslocar a amostra e fazer os pesquisadores perderem exatamente o ponto observado.

Para evitar o problema, a equipe criou um sistema que aquece a célula e a mantém praticamente imóvel. Em testes realizados durante cerca de 20 horas, a amostra passou repetidamente de 30ºC para 150ºC. Mesmo com a variação de 120ºC, o deslocamento ficou em aproximadamente 5 micrômetros na vertical e 1 micrômetro na horizontal.

O controle térmico também mostrou precisão. A temperatura programada pode ser atingida em menos de dois minutos e, nos testes a 150ºC, as oscilações ficaram geralmente abaixo de 0,1ºC durante períodos de 50 minutos.

Calor, luz e umidade podem ser controlados

Uma pequena câmara permite ainda modificar as condições atmosféricas e acompanhar a umidade, enquanto um sistema de iluminação mantém a célula funcionando durante as medições. Assim, os cientistas conseguem investigar diferentes fatores associados à degradação.

Os experimentos acontecem na estação Tarumã, da linha de luz Carnaúba do Sirius. Em uma das demonstrações, os pesquisadores visualizaram individualmente grãos de perovskita com cerca de 2 micrômetros e acompanharam mudanças na estrutura do material quando a temperatura passou de 40ºC para 6 ºC.

A tecnologia já deixou a fase de protótipo e está disponível como equipamento multiusuário. Além das perovskitas, poderá ser empregada no estudo de células solares orgânicas, dispositivos de pontos quânticos, LEDs e outros materiais compatíveis.

Ao acompanhar o mesmo ponto microscópico durante sucessivos ciclos de calor, iluminação, umidade e tensão elétrica, os pesquisadores poderão investigar quando surgem alterações relacionadas à perda de desempenho, conhecimento que pode contribuir para células solares mais eficientes e duráveis.