Desenvolvida pelo CNPEM com apoio da FAPESP, plataforma combina microscopia de raios X e controle de temperatura, iluminação e umidade para investigar a degradação e a estabilidade de materiais fotovoltaicos.

Pesquisadores do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), em Campinas (SP), desenvolveram um instrumento para o acelerador de partículas Sirius que permite observar, em escala nanométrica, o interior de células solares durante a geração de eletricidade. A tecnologia possibilita investigar as transformações químicas e estruturais desses dispositivos sob condições controladas de temperatura, iluminação e umidade, aproximando os experimentos das situações reais de funcionamento.

O equipamento foi desenvolvido com apoio da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) e permite combinar medições do desempenho elétrico das células com análises realizadas por meio de raios X. A proposta é compreender como os materiais fotovoltaicos se comportam ao longo do tempo e quais mudanças podem contribuir para a perda de eficiência e a degradação dos dispositivos.

O trabalho foi conduzido por Rodrigo Szostak, pesquisador do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS-CNPEM) e primeiro autor do estudo publicado em agosto na revista Photon Science. A pesquisa contou com financiamento da FAPESP por meio de uma Bolsa de Pós-Doutorado concedida ao cientista.

“Buscamos reproduzir uma condição normal de operação da célula solar e usar as técnicas disponíveis no acelerador Sirius para observar o que está acontecendo no material”, explica Szostak.

Investigação de materiais fotovoltaicos

A plataforma foi desenvolvida principalmente para estudar células solares de perovskita, materiais que têm despertado interesse científico pela elevada eficiência de conversão de luz em eletricidade e pela possibilidade de fabricação por processos relativamente simples, em temperaturas mais baixas e sem necessidade de vácuo.

Apesar dos avanços, a estabilidade desses dispositivos ainda é uma questão importante para a pesquisa. Durante o funcionamento, as células são submetidas a variações de temperatura, exposição à luz, umidade e tensão elétrica. Essas condições podem provocar alterações na estrutura e na composição dos materiais, algumas reversíveis e outras associadas à degradação.

Com o novo instrumento, os pesquisadores podem acompanhar essas mudanças e relacioná-las ao desempenho elétrico das células. Segundo Szostak, a plataforma permite investigar simultaneamente aspectos como composição química, morfologia, estrutura cristalina e estrutura eletrônica.

Os raios X têm papel central nesse processo porque conseguem penetrar diferentes camadas do dispositivo, permitindo examinar sua estrutura interna com pouca preparação da amostra. Isso reduz o risco de que o próprio procedimento experimental modifique as características que os cientistas pretendem observar.

Estabilidade durante os experimentos

Um dos principais desafios para desenvolver o equipamento foi manter a amostra na posição correta durante o aquecimento. As variações de temperatura provocam dilatação dos materiais, e deslocamentos muito pequenos podem retirar a região analisada do campo de observação do feixe de raios X.

Para contornar o problema, a equipe desenvolveu um suporte de alta estabilidade mecânica, com uma estrutura de liga de titânio de baixa expansão térmica e componentes flexíveis que permitem a dilatação do vidro sem comprometer o posicionamento da célula.

O dispositivo também utiliza um pequeno chip de vidro revestido com óxido de índio e estanho, material que permite a passagem da luz e conduz eletricidade. Dois circuitos finos de platina instalados no substrato desempenham funções distintas: um aquece a amostra, enquanto o outro mede sua temperatura.

O aquecimento fica concentrado em uma área de três por três milímetros, o que ajuda a reduzir a expansão térmica do conjunto. Nos testes realizados no Sirius, a amostra foi submetida repetidamente a temperaturas de 30 °C e 150 °C durante cerca de 20 horas. Mesmo com a variação térmica, os deslocamentos permaneceram pequenos, reprodutíveis e reversíveis.

O sistema permite controlar a temperatura com precisão e manter condições estáveis durante as medições. O chip pode operar a até 150 °C e, em experimentos que não exigem substrato condutor, o equipamento pode alcançar temperaturas de até 300 °C.

Luz e umidade sob controle

Além do aquecimento, a plataforma conta com uma câmara que permite controlar a atmosfera ao redor da célula e acompanhar a umidade. Dessa forma, os pesquisadores podem investigar como diferentes condições ambientais afetam a estabilidade dos materiais fotovoltaicos.

Para simular a iluminação solar, foi utilizado um LED branco de banda larga, escolhido por apresentar uma distribuição espectral próxima à da luz do Sol entre os dispositivos avaliados. A iluminação é necessária para que a célula possa ser estudada enquanto está em funcionamento.

O sistema de iluminação ainda passa por aprimoramentos. Na configuração atual, a disposição lateral do LED permite a passagem dos raios X, mas fornece à célula uma intensidade luminosa equivalente a aproximadamente 30% da irradiância solar de referência. A equipe busca melhorar esse desempenho sem comprometer as medições.

O que os raios X revelam

O instrumento foi testado com uma célula completa de perovskita construída sobre o chip. Durante o experimento, os pesquisadores realizaram medições elétricas e análises com raios X, além de acompanhar a resposta do dispositivo quando a iluminação era ligada e desligada.

As medições foram feitas na estação experimental Tarumã, que integra a linha de luz Carnaúba, no Sirius. A estrutura permite utilizar diferentes técnicas de análise para obter informações complementares sobre os materiais.

A difração de raios X permite investigar a estrutura cristalina; a fluorescência de raios X identifica a distribuição dos elementos químicos; e a espectroscopia de absorção de raios X fornece informações sobre o estado químico dos elementos e suas ligações.

Nos testes com a célula de perovskita, a fluorescência permitiu mapear a distribuição de iodo e chumbo. Já a difração revelou grãos individuais do material, com cerca de dois micrômetros de diâmetro, e possibilitou medir características da estrutura cristalina.

Os pesquisadores também acompanharam mudanças nessa estrutura quando a temperatura passou de 40 °C para 65 °C. Os mapas obtidos mostraram o aumento esperado dos parâmetros da rede cristalina, demonstrando a capacidade do equipamento de registrar transformações microscópicas provocadas por uma variável externa.

Aplicações além das células solares

A combinação entre controle ambiental, medições elétricas e análises por raios X poderá ajudar a esclarecer como alterações microscópicas se relacionam com a perda ou a manutenção da capacidade de converter luz em eletricidade. Esse conhecimento pode contribuir para o desenvolvimento de células solares mais estáveis e duráveis.

O equipamento já está disponível como plataforma multiusuária para a comunidade científica. Embora tenha sido otimizado para células de perovskita, também pode ser utilizado em pesquisas com células solares orgânicas, células sensibilizadas por corante em estado sólido, células de pontos quânticos, diodos emissores de luz (LEDs) e outros materiais compatíveis com o suporte.

A tecnologia amplia, assim, as possibilidades de investigação de materiais e dispositivos em condições controladas de operação, permitindo observar processos que dificilmente seriam identificados por análises convencionais realizadas apenas antes ou depois do funcionamento.

Referência: SZOSTAK, Rodrigo et al. Visualizing solar cells at work: An in situ sample holder for multimodal x-ray nanoscopy under realistic operating conditions. Photon Science, 2026. Disponível em: https://pubs.acs.org/psabes/article/doi/10.1021/photonsci.6c00013/5250982.