Acelerador Sirius analisa células solares em operação real com feixe de raios X
Pesquisadores do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais desenvolveram um instrumento acoplado ao acelerador de partículas Sirius capaz de analisar células solares completas em escala nanométrica enquanto elas geram eletricidade. O dispositivo opera na estação Tarumã da linha de luz Carnaúba, em Campinas, submetendo os materiais a condições controladas de luz, calor e umidade para investigar a degradação física e química dos componentes durante o uso real.
O anúncio da nova tecnologia ocorreu na sexta-feira (2), após a publicação dos dados na revista científica Photon Science, com apoio de bolsa de pós-doutorado da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo. A inovação central resolve a dilatação dos materiais provocada pela variação térmica, mantendo a amostra estável sob a mira de um feixe de raios X de cerca de 200 nanômetros de largura, dimensão centenas de vezes mais fina que um fio de cabelo humano.
“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”, afirmou Rodrigo Szostak, pesquisador do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron e autor principal do estudo.
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Como funciona o suporte térmico no acelerador Sirius?
O desafio de manter um alvo estável sob radiação exigiu a construção de uma base mecânica específica. Para evitar que o aquecimento desloque a amostra para fora da área focal, a equipe desenhou um suporte fabricado com liga de titânio de baixa expansão térmica e elementos flexíveis, com isolamento mecânico das estruturas de movimentação para conter a transmissão de calor indesejada.
A montagem utiliza um chip de vidro revestido por óxido de índio e estanho, material condutor e transparente conhecido pela sigla ITO, que serve de base para a montagem da célula fotovoltaica. No lado oposto da lâmina de vidro, dois circuitos micrométricos de platina atuam de forma combinada: um opera como aquecedor resistivo e o outro funciona como sensor contínuo de temperatura. Esse arranjo concentra o calor em uma área restrita de 3 por 3 milímetros, reduzindo a dilatação total do conjunto e garantindo uniformidade com variação térmica relativa de apenas 0,85 °C sob a marca de 150 °C.
“Como trabalhamos com um feixe de cerca de 200 nanômetros (centenas de vezes mais fino que um fio de cabelo humano), precisamos que a amostra fique parada. Nossa equipe de engenharia trabalhou conosco para desenvolver uma maneira de prender a amostra e absorver essa dilatação”, disse Szostak. Segundo o pesquisador, o suporte alcançou parâmetros inéditos: “Essa é uma das inovações do trabalho. Temos uma ótima estabilidade de posição. Fiz uma revisão da literatura e, pelo que conhecemos, provavelmente nosso suporte apresenta a melhor estabilidade posicional já obtida para esse tipo de experimento”.
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Dados técnicos do experimento na linha Carnaúba
- Local de instalação: estação Tarumã da linha Carnaúba, uma das 12 linhas operacionais do Sirius, em Campinas
- Largura do feixe de raios X: cerca de 200 nanômetros
- Área útil aquecida e monitorada no chip: 3 por 3 milímetros
- Deslocamento físico da amostra: 5 micrômetros na vertical e 1 micrômetro na horizontal após variação de 120 °C
- Tempo de aquecimento: menos de 2 minutos para atingir a marca programada
- Estabilidade de temperatura: oscilação inferior a 0,1 °C mantida por 50 minutos a 150 °C
- Limites operacionais: até 150 °C com substrato de óxido de índio e estanho e até 300 °C em testes sem base condutora
Estudo foca em células de perovskita e sua estabilidade
O equipamento foi planejado principalmente para a investigação de células de perovskita, classe de semicondutores desenvolvida ao longo dos últimos 15 a 20 anos que se destaca pela alta conversão de luz em energia e pela produção simples em baixas temperaturas. Apesar do potencial de mercado e do surgimento das primeiras aplicações comerciais, esses filmes finos perdem eficiência com facilidade quando expostos repetidamente à luz solar, ao calor do ambiente e à umidade atmosférica, processo que os cientistas chamam de ciclagem.
Durante a validação prática, os pesquisadores submeteram uma célula de perovskita a testes contínuos de ciclagem térmica entre 30 °C e 150 °C por 20 horas. Em outra etapa, monitoraram as alterações da estrutura cristalina ao elevar a temperatura de 40 °C para 65 °C, registrando a deformação dos grãos minerais de cerca de 2 micrômetros por meio de difração de raios X. O sistema mapeou de forma simultânea a distribuição química de iodo e chumbo na camada ativa através de fluorescência.
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Acesso de pesquisadores e aplicações em outros dispositivos
Cientistas de universidades, centros de pesquisa e indústrias interessados em testar materiais fotovoltaicos e dispositivos eletrônicos avançados podem solicitar tempo de uso na estação experimental Tarumã. A plataforma deixou a fase de protótipo e atua como instalação multiusuário aberta à comunidade científica externa, atendendo projetos focados na análise de novos semicondutores sob condições controladas de funcionamento.
O sistema aceita materiais depositados sobre lâminas de vidro que demandem controle térmico até 300 °C. O alcance do instrumento ultrapassa as perovskitas e engloba células solares orgânicas, células de pontos quânticos, diodos emissores de luz (LEDs) e componentes de baterias químicas.
“Basicamente, a linha de luz Carnaúba é um microscópio superpotente, com o qual conseguimos olhar a matéria de várias maneiras diferentes. E seu campo de aplicação é muito mais amplo do que o das células solares: inclui baterias, plantas, sementes, materiais biológicos e até amostras paleontológicas”, explicou Szostak.
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Limitações atuais e próximos passos do projeto
A data exata de aceitação ou publicação do estudo na revista científica Photon Science durante o mês de agosto de 2026 não consta nos relatórios públicos da instituição. A divulgação detalhada do instrumento foi oficializada em 2 de outubro de 2026 pela Agência FAPESP.
A equipe do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron trabalha agora no aprimoramento da fonte de radiação luminosa do experimento. No formato atual, um LED branco de banda larga posicionado lateralmente entrega cerca de 30% da intensidade de radiação solar equivalente, ajuste feito para evitar que a lâmpada bloqueie o feixe de raios X da linha Carnaúba durante as medições contínuas.
