Modificações na composição química melhora estabilidade de células solares de perovskita
Um estudo realizado na Universidade Federal do ABC (UFABC) deu um importante passo para tornar viável o uso comercial das células solares de perovskita (PSCs), um dispositivo fotovoltaico que se destaca pela alta eficiência e processo de fabricação mais baixos em relação às células convencionais de silício. Células solares de perovskita são estruturas formadas por materiais semicondutores que transformam a luz do Sol em eletricidade. Entre os materiais mais comuns, está a perovskita à base de iodeto de chumbo e metilamônio, amplamente estudada por seu bom desempenho, e formadas com iodeto de chumbo e formamidínio, que oferecem maior estabilidade. Para reunir o melhor dos dois, pesquisadores têm desenvolvido perovskitas mistas, ou seja, que combinam cátions (íons de carga positiva) de metilamônio (MA⁺) e formamidínio (FA⁺). No entanto, até o momento os estudos se concentravam em condições laboratoriais altamente específicas, mas o estudo da UFABC rompe esse modelo restrito de laboratório e valida a tecnologia fora de ambientes controlados.
Apesar do potencial, a utilização dessas células ainda é limitada porque os materiais que a compõem se degradam facilmente frente à umidade e ao calor, condições ambientais comuns de ocorrerem. Para contornar esse problema, os pesquisadores apostaram na engenharia de composição do material, uma abordagem que modifica sua estrutura química com o objetivo de torná-la mais estável. Como resultado, as PSCs de fato se tornaram mais resistentes à degradação, ampliando as perspectivas da fabricação em larga escala.
Para isso, os pesquisadores testaram diferentes proporções de MA⁺ e FA⁺ na formulação de finos filmes de perovskitas, em atmosfera ambiente com umidade relativa entre 40% e 60%, o que simula condições de produção em escala industrial. Por meio de imagens de alta resolução da superfície desses filmes, foi observado que, à medida que a quantidade de FA⁺ era aumentada, importantes mudanças estruturais aconteciam no material. Entre elas, destacava-se o crescimento de regiões cristalinas que formam a perovskita. Quanto maior essas regiões se tornavam, menor as áreas de contato entre os cristais, chamadas de bordas de grão. Essas bordas são justamente os pontos mais frágeis da estrutura, por onde os processos de degradação se iniciam. Desse modo, com a redução das bordas e uma organização mais contínua, o material mostrou maior resistência às condições que normalmente causam sua degradação.
Com relação à eficiência, análises ópticas revelaram que o aumento da concentração de FA⁺ fez com que as células solares absorvessem melhor a luz mais avermelhada, de menor energia. Dessa forma, o acréscimo de FA⁺ contribuiu para ampliar a faixa do espectro solar aproveitada e para uma durabilidade maior, o que representa um avanço importante à produção de PSCs mais estáveis e aplicáveis fora do ambiente laboratorial. Essa maior durabilidade ficou evidente nos testes de longo prazo: as células que continham mais de 25% de FA⁺ conseguiram manter 80% da sua eficiência original mesmo após 2160 horas (equivalente a 90 dias) em exposição ao ambiente, um ótimo desempenho para dispositivos produzidos fora de contextos controlados.
A pesquisa foi desenvolvida com financiamento da FAPESP e está publicada no periódico Solar Energy Materials and Solar Cells (https://doi.org/10.1016/j.solmat.2025.113522) e repercutida em matéria da Agência FAPESP. Acesse em: http://www.agencia.fapesp.br/processo-simples-aumenta-a-durabilidade-de-celulas-solares-de-perovskita/54579.
Texto por Milena Rossales Castro.
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Chemical composition adjustments improve the stability of perovskite solar cells
A study conducted at the Federal University of ABC (UFABC), in Brazil, marks an important step toward making the commercial use of perovskite solar cells (PSCs) viable. These photovoltaic devices stand out for their high efficiency and lower production costs compared to conventional silicon-based solar cells. Perovskite solar cells are made from semiconductor materials that convert sunlight into electricity. Among the most commonly studied compositions are those based on lead methylammonium lead iodide, known for their high efficiency, and those based on formamidinium lead iodide, which offer better stability. To combine the strengths of both, researchers have developed mixed perovskites that include both methylammonium (MA⁺) and formamidinium (FA⁺) cations, which are positively charged ions. Until now, most studies involving these combinations were carried out under strict laboratory conditions, but the research from UFABC challenges this limitation and validates the technology in uncontrolled environments.
Despite their potential, the use of PSCs is still limited because the materials they are made of degrade easily when exposed to ambient atmosphere and humidity, common atmospheric conditions. To overcome this problem, the researchers focused on perovskite composition engineering, a strategy that modifies its chemical structure to make it more stable. As a result, the PSCs became more resistant to degradation, making them more suitable for commercial scale production.
To achieve this, the researchers tested different proportions of MA⁺ and FA⁺ in the preparation of perovskite films, under ambient conditions with relative humidity ranging from 40 to 60%, settings chosen to simulate real industrial production environments. High resolution imaging of the film surfaces revealed that as the amount of FA⁺ increased, important structural changes occurred in the material. One of the most notable was the growth of the crystalline regions that form the perovskite. As these regions became larger, the surface contact between crystals — known as grain boundaries — decreased. These grain boundaries are the most fragile parts of the structure and the main points for degradation. With fewer grain boundaries and a more continuous structure, the material showed greater resistance to environmental conditions that typically lead to its degradation.
In terms of efficiency, optical analysis showed that a higher concentration of FA⁺ allowed the cells to absorb more reddish light, lower energy range. Although this did not increase the efficiency, the addition of FA⁺ helped the devices capture a broader range of the solar spectrum while also improving their durability. This represents a significant advance toward developing PSCs that are more stable and suitable for use outside laboratory environments. This improved durability was confirmed in long term tests: cells containing more than 25% of FA⁺ maintained 80% of their original efficiency even after 2,160 hours (equivalent to 90 days) of exposure to ambient conditions, which is great for devices that do not rely on strict environmental control.
The study was funded by FAPESP and published in the journal Solar Energy Materials and Solar Cells (https://doi.org/10.1016/j.solmat.2025.113522). It was also featured in a news article by Agência FAPESP, available at: http://www.agencia.fapesp.br/processo-simples-aumenta-a-durabilidade-de-celulas-solares-de-perovskita/54579.
