Resumo completo
Rumo à produção sustentável de células fotovoltaicas, o grupo de pesquisa da Dra. Manuela Schiek em Oldenburg descobriu como a tecnologia mais avançada em microscopia confocal de varredura a laser está melhorando a precisão, e a eficiência da sua pesquisa sobre semicondutores orgânicos e eletrodos transparentes.
Ao captar energia diretamente do sol para gerar eletricidade, as células solares parecem representar a síntese da energia limpa. Mas você já parou para considerar o processo de produção? Tomemos, por exemplo, o caso do silício cristalino, um dos principais componentes das células solares convencionais. Antes de tudo, transformar o minério de sílica na sua forma valiosa cristalizada exige temperaturas superiores a 2.000 °C. Esse processo não só consome muita energia, como também utiliza vários materiais químicos perigosos e gases de efeito estufa potentes na obtenção de silício ultrapuro. Outros principais agressores na produção moderna de muitas células solares inorgânicas de filme fino incluem componentes que contêm elementos tóxicos como selênio e cádmio. O índio também é um ingrediente indispensável, formando o óxido de índio e estanho (ITO). Contudo, estima-se que as reservas desse recurso finito se tornem inviáveis até 2017, o que cria outra série de grandes desafios. Vejamos o caso do tântalo, por exemplo, indispensável na criação de transistores elétricos: a disponibilidade limitada desse material polêmico encontra-se no cerne dos conflitos políticos da República Democrática do Congo.
Com a crescente pressão na rede elétrica global e o incentivo para a produção de energia sustentável, devemos garantir que os métodos de produção dos dispositivos de energia limpa sejam igualmente sustentáveis — e esse é o objetivo do grupo de pesquisa da Dra. Manuela Schiek, da Universidade de Oldenburg. A sua pesquisa concentra-se em materiais alternativos para a produção de células solares que não sejam perigosos e estejam prontamente disponíveis. Isso inclui o uso de semicondutores orgânicos na camada ativa de captação de energia e um sistema de eletrodos transparentes formado a partir de uma malha de nanofios de prata incorporada em uma matriz de polímeros orgânicos (consulte o parágrafo “arquitetura da célula solar orgânica”).
Com a sua complexa estrutura em camadas, as técnicas de análise de superfície fornecem informações essenciais sobre o funcionamento de uma célula solar. Embora a perfilometria tátil e a microscopia de força atômica (MFA) tenham sido, durante muitos anos, os pilares da metrologia de superfície, a microscopia confocal de varredura a laser (MCVL) 3D vem se tornando uma ferramenta cada vez mais popular.
Ao combinar a capacidade de gerar imagens ópticas true color detalhadas com os recursos sem contato da tecnologia de varredura a laser, o microscópio confocal de varredura a laser se destaca como um perfilômetro óptico. Mais rápido e mais eficiente que as técnicas baseadas em stylus, a MCVL 3D, ela é capaz de medir superfícies macias ou adesivas e oferece uma resolução de 0,2 µm. Com tantos benefícios a oferecer, a recente introdução de um microscópio confocal de varredura a laser Olympus LEXT OLS4100 3D no laboratório da Dra. Schiek melhorou consideravelmente a sua pesquisa sobre meios alternativos da produção fotovoltaica.
Arquitetura da célula solar orgânica
 | A arquitetura mais popular das células solares orgânicas é baseada em uma camada ativa de captação de fótons, colocada entre dois eletrodos, um dos quais deve ser transparente para permitir a passagem da luz. Os fótons que chegam ao semicondutor orgânico geram os éxcitons portadores de carga, que, por meio do uso de dois materiais, um doador de elétron e um receptor de elétron, são divididos
em seus elétrons e buracos separados. Impulsionados por um campo elétrico, os elétrons e buracos viajam em direção aos seus respectivos eletrodos, criando a separação de carga necessária para formar um circuito elétrico.
A pesquisa da Dra. Schiek considera o uso de um eletrodo transparente de malha de nanofios de prata (AgNW) para substituir o frágil e raro ITO, além da formação da camada ativa a partir de materiais orgânicos como uma alternativa aos materiais químicos prejudiciais ao meio ambiente — criando células solares de filme fino flexíveis, sustentáveis e acessíveis para aplicações destinadas ao consumidor. |
Materiais orgânicos na camada ativa
A camada ativa é onde a energia é capturada dos fótons e, nas células solares orgânicas, ela é geralmente formada a partir de uma mistura descontínua de dois materiais — um polímero e um fulereno. Com o polímero agindo como um doador de elétron e o fulereno como um receptor de elétron, essa estrutura de heterojunção de volume resulta em uma melhor separação de carga dos elétrons e orifícios e, consequentemente, na melhoria da função das células solares. Mas os polímeros são geralmente misturas de materiais aproximadamente definidas com comprimentos de cadeia diferentes e com propriedades altamente específicas para cada lote. Já os semicondutores moleculares são blocos de construção definidos com propriedades que podem ser ajustadas com pequenas alterações à sua estrutura, que podem ser otimizadas para melhorar a função das células solares. Uma classe interessante dessas moléculas são os corantes do tipo esquaraína (Figura 1), cuja estrutura oferece uma ampla absorção na região vermelha do espectro de luz. A pesquisa da Dra. Schiek está investigando uma camada ativa de heterojunção de volume formada a partir de esquaraínas misturadas com um receptor de fulereno (para obter mais informações, consulte a Referência 1). A espessura da camada ativa é fundamental para essa aplicação: se for muito fina, a mobilidade dos portadores de carga é restringida, mas se for muito espessa, tanto a absorção como a flexibilidade da luz são significativamente reduzidas.
A medição precisa da espessura da camada é, portanto, igualmente importante. No laboratório da Dra. Schiek, após criar um arranhão na superfície da camada ativa com uma agulha fina, as bordas dos degraus desse “vale” são subsequentemente medidas usando a perfilometria. A perfilometria tátil foi considerada inicialmente, mas a suavidade do material orgânico impedia uma medição precisa. De fato, foi frequentemente observada uma discrepância de altura de cerca de 20 nm entre as duas bordas dos degraus, o que é significativo, considerando que a espessura média da camada ativa é de 100 nm. À medida que a agulha sai do vale, ela arranha a superfície e resulta na falsa leitura baixa da altura.
Na microscopia confocal de varredura a laser 3D, é o laser que realiza a varredura da superfície, e essa abordagem sem contato obtém uma precisão muito maior da perfilometria de superfície (Figura 2). Além disso, fornecer uma imagem visual da amostra é mais intuitivo e, com o LEXT OLS4100, essas informações são facilmente compiladas em um relatório, apresentando a imagem em apoio aos dados numéricos (Figura 2.B).
Esquaraínas sob luz polarizada.
Estes corantes moleculares apresentam uma alternativa sustentável para a camada ativa. Aqui, eles são vistos entre polares cruzados com o Olympus LEXT OLS4100.
 Figura 1.A: Cristais únicos exibem brilho metálico dourado; |  Figura 1.B: Camada com revestimento spin-coating de esquaraína pura, com formação de conglomerados de esferulito por meia da cristalização após recozimento térmico. |
Metrologia precisa de material macio.
Formada a partir de material orgânico macio, a camada ativa geralmente tem 100 nm de espessura e é facilmente danificada pelo contato.
 Figura 2.A: Aqui, a perfilometria sem contato foi obtida com o Olympus LEXT OLS4100 |  Figura 2.B: Dados compilados em um relatório. |
Eletrodos transparentes
Ao combinar a transparência óptica com a condução, os eletrodos transparentes formam o ânodo da célula solar, permitindo, simultaneamente, a passagem da luz pela camada ativa. As fontes cada vez mais escassas de ITO são atualmente o padrão da indústria para eletrodos transparentes. Além disso, o ITO é um material frágil, o que restringe o seu uso em dispositivos mecanicamente flexíveis. Deste modo, procura-se uma alternativa leve, barata e flexível que também seja compatível com o processamento em larga escala. O grafeno apresenta um potencial alternativo, por exemplo (Figura 3), mas seus flocos são muito pequenos, limitando o seu uso em áreas maiores.
Uma alternativa promissora é a malha de nanofios de prata (AgNWs) incorporada em uma matriz de polímeros. Um segundo projeto do laboratório da Dra. Schiek tem como foco a produção de AgNWs, o processamento subsequente para a formação dos eletrodos e, por fim, a integração em células solares orgânicas.
Para obter uma condutividade ideal, é necessário que haja uma conexão uniforme entre a camada ativa e o eletrodo, o que exige uma malha de AgNW homogênea. Como o diâmetro dos AgNWs a 100 nm é equivalente à espessura da camada ativa, também é importante evitar essas regiões de conglomeração e impedir que a camada ativa seja perfurada. Contudo, na prática, é um desafio conseguir isso ao longo de toda a célula solar usando as técnicas de produção de revestimento spin-coating atuais. Além disso, a avaliação da rugosidade da superfície desempenha um papel fundamental na otimização do protocolo de síntese.
A MFA tem sido a principal técnica empregada para a avaliação da rugosidade da superfície da malha de AgNW, porém a introdução do LEXT OLS4100 melhorou amplamente a sua eficiência. De início, a Dra. Schiek descobriu que a expansão do campo de visão usando a função de união de imagens permite visualizar uma amostra mais representativa da superfície do eletrodo. A malha de AgNW pode parecer regular em uma escala menor, mas ao criar imagens de alta resolução de 1 mm2 (dez vezes maior do que é possível com a MFA), as regiões de conglomeração são facilmente identificadas, o que não seria possível de outra maneira (Figura 4.A e 4.B). Como é possível observar na Figura 4.C, o software também permite visualizar o perfil de altura em 3D, útil para a análise e documentação. Além disso, a capacidade de aumentar o filtro passa-baixa de uma altura de 80 µm para 800 µm permite uma análise mais criteriosa das regiões elevadas dos nanofios de prata.
Também se verifica que a MFA consome muito tempo. Além da varredura em si demorar até uma hora após a configuração do instrumento e o ajuste dos artefatos relacionados com a ponta, ela normalmente pode demorar um dia inteiro para adquirir uma única imagem útil. Com a MCVL 3D, a aquisição de imagem é rápida e também altamente intuitiva devido ao software dedicado, mesmo para estudantes sem experiência com o microscópio. Em termos de desempenho, os pesquisadores observaram que a MFA e a MCVL com o LEXT OLS4100 produziram resultados comparáveis e se beneficiaram da melhora na eficiência da avaliação da rugosidade da superfície de eletrodos transparentes.
Outro aspecto interessante desse projeto é o potencial abrangente dos eletrodos transparentes em aplicações optoeletrônicas, incluindo LEDs e telas sensíveis ao toque, nas quais o desenvolvimento de alternativas ao ITO também é foco de muita pesquisa. Futuramente, as interfaces optoeletrônicas poderão até possibilitar a restauração da visão, com implantes de retina usando a luz para gerar sinais elétricos e estimular a atividade neuronal.
Um floco de grafeno multicamadas revestido com um semicondutor orgânico emissor de luz.
 Figura 3 | Esta estrutura se encontra atualmente sob investigação quanto a díodos emissores de luz (LEDs) orgânicos. Embora os seus flocos sejam muito pequenos para superfícies fotovoltaicas maiores, o grafeno também tem potencial de uso como um eletrodo transparente. Visualização com cruzado. |
Avaliação da rugosidade da superfície de eletrodos de malha de nanofios de prata usando o Olympus LEXT OLS4100.
A função de união de imagens amplia o campo de visão; filtro passa-baixa de corte definido como 800 µm.
 Figura 4.A: Facilitando a análise da distribuição de nanofios em uma escala maior no campo claro. |  Figura 4.B: Gráfico de cores da altura. |
 Figura 4.C: Arquitetura da célula solar orgânica. | |
Resumo
Alimentar a rede elétrica global de forma sustentável continua a ser um dos maiores desafios enfrentados pelo mundo moderno, de modo que este é um período empolgante para a realização de pesquisas sobre soluções inovadoras. O uso de materiais amplamente disponíveis reserva um futuro promissor no que diz respeito ao fornecimento de alternativas limpas à produção de células solares convencionais, com tais pesquisas sendo impulsionadas pelos desenvolvimentos tecnológicos mais recentes.
Desde medições precisas dos degraus da camada ativa com a perfilometria sem contato a melhorias na eficiência da análise com velocidade às funções de software avançadas, o microscópio confocal de varredura a laser Olympus LEXT OLS4100 3D proporcionou ao grupo de pesquisa da Dra. Manuela Schiek muitos benefícios em comparação com os métodos baseados em stylus. À medida que a energia alternativa se torna a grande aposta nos próximos anos, é provável que as tecnologias de microscopia de luz em desenvolvimento desempenhem um papel fundamental na revolução de energia solar.
Informações sobre o autor
Markus Fabich é gerente de produtos para microscopia em ciência de materiais na Olympus SE & CO. KG (Hamburgo, Alemanha).
Referências
1. S. Brück, C. Krause, R. Turrisi, L. Beverina, S. Wilken, W. Saak, A. Lützen, H. Borchert, M. Schiek, J. Parisi, Structure–property relationship of anilino-squaraines in organic solar cells, Phys. Chem. Chem. Phys. 16 (2014) 1067.
2. F. Balzer, H. H. Henrichsen, M. B. Klarskov, T. J. Booth, R. Sun, J. Parisi, M. Schiek, P. Bøggild, Directed self-assembled crystalline oligomer domains on graphene and graphite, Nanotechnology 25 (2014) 035602.
