Todo sulfolano verde

May 20, 2023

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 9335 (2023) Citar este artigo

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A comercialização industrial de células solares de perovskita não depende apenas do desempenho suficiente do dispositivo, mas também requer a eliminação completa de solventes perigosos no processo de fabricação para permitir o desenvolvimento sustentável da tecnologia. Este trabalho relata um novo sistema de solvente baseado em sulfolano, \(\gamma\)-butirolactona (GBL) e ácido acético (AcOH) como uma alternativa significativamente mais ecológica aos solventes comuns, porém mais perigosos. Curiosamente, este sistema de solventes não apenas resultou em uma camada de perovskita densamente compactada com tamanho de cristal maior e melhor cristalinidade, mas também os contornos de grão foram mais rígidos e altamente condutivos à corrente elétrica. As mudanças físicas nos contornos de grão foram devidas às interfaces cristalinas infundidas com sulfolano, que deveriam facilitar uma melhor transferência de carga e fornecer uma barreira mais forte à umidade dentro da camada de perovskita, resultando em maior densidade de corrente e maior desempenho do dispositivo. De fato, usando um sistema misto de solventes composto por sulfolano, GBL e AcOH na proporção de volume de 70,0:27,5:2,5, a estabilidade do dispositivo foi melhor e o desempenho fotovoltaico foi estatisticamente comparável aos preparados com solvente à base de DMSO. Nosso relatório reflete descobertas sem precedentes de maior condutividade elétrica e rigidez da camada de perovskita simplesmente usando uma escolha apropriada do solvente totalmente verde.

A célula solar de perovskita híbrida inorgânica-orgânica (PSC) tem intrigado muitos pesquisadores principalmente devido ao seu potencial de desempenho e perspectivas promissoras1,2,3. O rápido desenvolvimento do PSC nos últimos anos também torna possível alcançar um desempenho fotovoltaico ainda melhor, especialmente devido ao fato de que muitos valores relatados de eficiência de conversão de energia (PCE) ficaram consistentemente atrás do valor teórico de 25,2%3, deixando amplo espaço para mais conquista. Uma típica estrutura cristalina de perovskita híbrida pode ser caracterizada como \(ABX_{3}\), que consiste em cátion (sítio A), como CH\(_{3}\)NH\(_{3}^{+} \), HC(NH\(_{2}\))\(_{2}^{+}\), Cs\(^{+}\) e Rb\(^{+}\). A estrutura inorgânica \(BX_{3}\) é composta pelos elementos haletos (sítio X) e pelo metal (sítio B), como Pb\(^{+}\) e Sn\(^{+}\)4. O PCE recentemente relatado atingiu até 25,2%3, um nível que representa um avanço significativo, especialmente quando comparado com outros fotovoltaicos, como CdTe, seleneto de cobre, índio e gálio (CIGS), bem como células solares orgânicas e sensibilizadas por corantes5.

Igualmente importante para o desenvolvimento do desempenho fotovoltaico é o impacto no meio ambiente e na saúde humana do processo de preparação. Relatos de alto desempenho geralmente se baseiam no uso de produtos químicos perigosos, como o cancerígeno N-metil-2-pirrolidona (NMP) e N,N-dimetilformamida (DMF) e dimetilsulfóxido altamente penetrante na pele (DMSO), para a preparação de perovskita6,7,8,9,10. No entanto, embora o uso desses solventes possa garantir um alto desempenho do dispositivo, sua toxicidade ao meio ambiente e à saúde humana pode causar sérios problemas, principalmente quando a tecnologia é implementada em larga escala10. Portanto, para desenvolver a tecnologia PSC de maneira sustentável, a questão da escolha dos solventes precisa ser abordada.

Em um esforço para uma preparação mais ecológica, o solvente misto consistindo de polietilenoglicol e \(\gamma\)-butirolactona (GBL) foi usado para preparar a solução precursora de PbBr\(_{2}\). O PSC resultante apresentou um PCE de até 8,11%11. O (R)-(+)-limoneno e o 2-metiltetrahidrofurano também poderiam ser utilizados como antissolventes menos tóxicos na preparação da camada de perovskita de alta qualidade no dispositivo PSC invertido, com PCE de até 17,84%12. Tian e colaboradores também sugeriram n-butanol como um antissolvente verde para preparar filmes de perovskita em dispositivos de grande área, que demonstraram um PCE de 13,85%13. Yavari e colaboradores usaram anisole como um antissolvente verde na preparação de PSCs, que rendeu um PCE impressionante de até 20,5%14. No entanto, apesar de muitos esforços até agora, a estabilidade do dispositivo continua sendo um desafio14, o que pode ser atribuído à dissolução ineficiente de precursores de perovskita no processo de preparação15. Como resultado, a eliminação completa de solventes perigosos ainda não se materializou, e esses solventes ainda desempenham um papel em vários graus no processo de fabricação para facilitar a solubilidade de precursores químicos.