Cientistas computacionais e experimentais agregaram esforços para aprimorar uma tecnologia que desponta na área da energia solar, a das células solares de perovskita bidimensional. O trabalho foi realizado no contexto do CINE.

Materiais da família das perovskitas já são usados em células solares altamente eficientes, mas a novidade, ainda em desenvolvimento em laboratórios de pesquisa, é o uso de filmes de perovskita finíssimos, formados por camadas de algumas dezenas de nanômetros de espessura.

Cada uma dessas camadas é composta por placas inorgânicas separadas por espaçadores orgânicos que, com as suas propriedades hidrofóbicas, prometem trazer mais durabilidade às células solares de perovskita ao protegê-las da umidade que causa a sua degradação. Contudo, para otimizar essa tecnologia, é necessário entender detalhadamente o comportamento do material na escala atômica.

Em um trabalho recente, cientistas computacionais do IQSC-USP e do IFSC-USP colaboraram com pesquisadores experimentais da Unicamp especializados em perovskitas para investigaram como as propriedades de uma perovskita bidimensional mudam em função da sua espessura, determinada pela quantidade de camadas que formam o filme.

Para isso, a equipe utilizou simulações baseadas na Teoria do Funcional da Densidade (DFT). A abordagem computacional foi escolhida por permitir uma análise muito precisa das propriedades do material na escala atômica, além de diminuir muito significativamente o custo e o tempo da pesquisa com relação a um trabalho experimental.

“A teoria nos permite entender o porquê dos fenômenos a nível atômico e prever o comportamento de novos materiais, enquanto a expertise experimental nos mantém com os pés no chão, direcionando a pesquisa para resultados que possam, de fato, ser aplicados e testados”, diz o doutorando Israel Ribeiro sobre a colaboração que viabilizou este estudo. “Essa ponte entre o computacional e o experimental é o que acelera o desenvolvimento de tecnologias mais eficientes”, completa Israel, que é primeiro autor do artigo científico que reporta este trabalho.

Os resultados das simulações revelaram que, mesmo em filmes tão finos, mudanças na espessura influenciam significativamente propriedades que são essenciais para o funcionamento de uma célula solar. Dessa forma, a adição ou retirada de camadas permitiria ajustar o desempenho do dispositivo.

Publicado no periódico ACS Applied Energy Materials, o artigo científico inclui uma seção de insights com orientações práticas para produzir perovskitas bidimensionais que atendam as necessidades da aplicação desejada.

A principal delas é a importância de encontrar o balanço ideal na espessura do filme. De fato, filmes com poucas camadas absorvem menos luz e têm mais dificuldade em transformá-la em eletricidade. Por outro lado, em filmes mais espessos, elétrons e buracos têm mais dificuldade para se deslocar, diminuindo a eficiência da célula solar.

“Ao mapear as propriedades em função da espessura, oferecemos um caminho para que os experimentalistas possam focar seus esforços nas configurações mais promissoras para uma determinada aplicação”, conclui Ribeiro.

O trabalho contou com financiamento da Fapesp, Shell e CNPq, além do suporte estratégico da ANP.

Referência do artigo científico: Israel C. Ribeiro, Felipe D. Picoli, Pedro Ivo R. Moraes, André F. V. Fonseca, Luiz N. Oliveira, Ana Flávia Nogueira, Juarez L. F. Da Silva. Impact of Thin Film Thickness on the Structural, Energetic and Optoelectronic Properties of Two-Dimensional FPEA2(MAn–1)PbnI3n+1 Perovskites. 2025, 8, 6, 3346–3359. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaem.4c02800

Membros do CINE que participaram do trabalho: Israel C. Ribeiro, Pedro Ivo R. Moraes, André F. V. Fonseca, Ana Flávia Nogueira e Juarez L. F. Da Silva.