Novo método de semeadura de cristais eleva eficiência de células solares perovskitas a 23%
As células solares perovskitas convencionais (PSCs) são estruturadas com a camada de transporte de elétrons abaixo da camada de absorção de luz perovskita e a camada de transporte de buracos por cima. Embora essa disposição tenha proporcionado um desempenho robusto em laboratório, ela enfrenta obstáculos quando escalada para a fabricação em larga escala e estabilidade…
As células solares perovskitas convencionais (PSCs) são estruturadas com a camada de transporte de elétrons abaixo da camada de absorção de luz perovskita e a camada de transporte de buracos por cima. Embora essa disposição tenha proporcionado um desempenho robusto em laboratório, ela enfrenta obstáculos quando escalada para a fabricação em larga escala e estabilidade a longo prazo.
As PSCs invertidas trocam as posições dessas duas camadas de transporte. Essa arquitetura reversa oferece um alto potencial de conversão de energia e funciona bem com métodos de processamento baseados em solução adequados para produção em grande escala, tornando-a um design fotovoltaico atraente.
Apesar dessas vantagens, as PSCs invertidas foram limitadas por problemas na interface inferior, também conhecida como a interface enterrada, onde a camada de perovskita entra em contato com a camada de transporte de buracos. Neste junção oculta, podem se formar irregularidades estruturais microscópicas e defeitos eletrônicos, reduzindo tanto a eficiência quanto a durabilidade ao longo do tempo.
Controle de Interface com Pré-Seminário de Cristal-Solvato
Para resolver esse problema, pesquisadores do Instituto de Bioenergia e Bioprocessos de Qingdao (QIBEBT) da Academia Chinesa de Ciências introduziram uma técnica de pré-seminário de cristal-solvato (CSV) que permite o controle preciso sobre essa interface crítica inferior. Sua abordagem apoia o desenvolvimento de módulos solares perovskitas de alta eficiência e grande área. Os resultados foram publicados na Nature Synthesis em 27 de fevereiro.
O processo começa com a deposição de sementes de cristal-solvato halogenado de baixa dimensão especialmente projetadas com a fórmula química PDPbI4·DMSO em substratos modificados com monocamadas auto-organizadas (SAM). Esses nanocristais CSV servem como um guia estrutural para os cristais de perovskita que crescerão posteriormente.
Os nanocristais CSV em forma de bastão melhoram a dispersão do precursor de perovskita na superfície de SAM, que normalmente repele água, permitindo uma cobertura mais uniforme. À medida que a cristalização avança, os nanocristais pré-depositados atuam como numerosos centros de nucleação, acelerando e direcionando a formação da camada de perovskita.
Estabilização Aprimorada com Solvente Aprisionado em Rede
Um elemento chave da estratégia envolve moléculas de dimetil sulfóxido (DMSO) embutidas na estrutura cristalina do CSV. Durante a anilação térmica, essas moléculas de DMSO são gradualmente liberadas, criando o que os pesquisadores chamam de um ambiente de “anilação de solvente aprisionado em rede” na interface inferior.
Essa atmosfera de solvente localizada promove rearranjos e crescimento de grãos, trabalhando em conjunto com o processo de cristalização semeada para produzir um filme mais uniforme e estável.
“Desenvolvemos uma abordagem integrada que aborda simultaneamente a regulação da cristalização e a estabilização da interface,” disse o Dr. Xiuhong Sun, co-primeiro autor do estudo. “Essa estratégia oferece um bom desempenho mesmo em interfaces enterradas, que são notoriamente desafiadoras de controlar com precisão.”
Módulos Solares de Grande Área com Alta Eficiência
Ao reduzir vazios interfaciais e suavizar canais de fronteira de grãos, o método cria uma região densa e altamente orientada dentro do filme de perovskita (a “camada inferior” de perovskita). Essa melhoria estrutural leva a propriedades eletrônicas aprimoradas e maior resistência ao estresse induzido por calor e luz.
Os pesquisadores também combinaram o método de pré-seminário CSV com um processo de revestimento por slot-die para fabricar um mini-módulo solar de perovskita com uma área de abertura de 49,91 cm2. O dispositivo alcançou uma eficiência de conversão de energia de 23,15%. A queda na eficiência de células laboratoriais pequenas para o mini-módulo maior foi inferior a 3% – um resultado que supera muitos estudos anteriormente relatados.
“Essa tecnologia supera o estrangulamento de escalonamento persistente causado por efeitos de tamanho através da combinação de cristalização induzida e restauração de interface enterrada,” disse o Prof. Shuping Pang. “Além de sua aplicação direta em fotovoltaicos perovskitas, o conceito de pré-seminário de cristal-solvato estabelece uma plataforma de materiais versátil: ao ajustar cátions orgânicos e moléculas de solvente, uma diversa biblioteca de materiais CSV pode ser projetada, abrindo um novo paradigma para engenharia de interface em fotovoltaicos perovskitas e em outros dispositivos optoeletrônicos semicondutores de rede macia.”
