Perovskita

May 20, 2023

As células solares de silício estão se aproximando do limite teórico de eficiência de 29,4%. Mas no ano passado os cientistas revelaram que criaram células solares em tandem que pela primeira vez ultrapassaram o limite de eficiência de 30%. Agora eles não apenas revelam como fizeram isso, mas outra equipe também afirma ter quebrado esse recorde usando uma abordagem diferente.

As células solares mais comuns usam silício para absorver luz. As modernas células solares de silício comerciais atingem agora eficiências de mais de 24%, e a melhor célula de laboratório tem uma eficiência de 26,8%.

Uma maneira de aumentar a eficiência de uma célula solar é empilhar dois materiais diferentes que absorvem luz em um único dispositivo. Essa abordagem em tandem aumenta o espectro de luz solar que a célula solar pode coletar.

“Os aspectos de estabilidade e escalabilidade devem agora ser o foco central.”

Cada vez mais, os cientistas investigam o uso de perovskitas em células solares tandem, uma vez que estes cristais são baratos e facilmente produzidos em laboratórios. Uma abordagem comum é usar uma célula superior feita de perovskitas para absorver luz visível de maior energia e uma célula inferior feita de silício para raios infravermelhos de menor energia.

Em 2022, uma equipe de pesquisadores alemães revelou como desenvolveram uma célula solar tandem de perovskita-silício com uma eficiência de 29,8 por cento, enquanto um grupo separado do Centro Suíço de Eletrônica e Microtecnologia em Neuchâtel, Suíça, e seus colaboradores estabeleceram um novo recorde de 31,25 por cento.

“É a primeira vez que uma tecnologia com uma arquitetura compatível com a produção em massa atinge uma eficiência acima de 30%”, diz Quentin Jeangros, cientista de materiais do Centro Suíço de Eletrônica e Microtecnologia.

Agora, os investigadores de Neuchâtel e os seus colegas divulgaram como construíram o seu dispositivo, enquanto os cientistas de Berlim e os seus colaboradores revelaram uma nova célula solar tandem com uma eficiência de até 32,5 por cento.

O grupo de Neuchâtel revelou que seu dispositivo consistia em uma célula superior de perovskita em uma célula inferior de silício com pirâmides de alguns micrômetros de altura. Usar uma superfície texturizada em vez de plana melhorou a capacidade de captura de luz da superfície.

Esta imagem de microscopia eletrônica da parte frontal das células solares tandem de perovskita sobre silício de alta eficiência revela uma superfície texturizada e uma camada de fulereno de carbono-60 - que ajudaram a maximizar a captura de luz e prevenir a perda de carga.Quentin Jeangros e Chin Yu Xin/CSEM

Este grupo utilizou um método de duas etapas para depositar a perovskita. Primeiro, eles usaram a evaporação térmica para estabelecer um modelo inorgânico na célula inferior de silício coberta por uma pirâmide. Em seguida, eles usaram uma solução para cristalizar essa estrutura em perovskita. Isso ajudou a garantir que a perovskita também formasse pirâmides para captar luz.

Um problema importante que as células solares em tandem de perovskita-silício enfrentaram é evitar a perda de carga de elétrons carregados negativamente e buracos carregados positivamente que se recombinam na célula superior da perovskita depois que a luz ajuda a separar essas cargas. Uma estratégia que as equipes de Neuchâtel e Berlim empregaram para superar esse problema foi colocar uma camada de fulereno de carbono-60 que pudesse extrair eficientemente elétrons da perovskita.

No entanto, em defeitos na superfície da perovskita, elétrons e buracos poderiam se recombinar. O grupo de Neuchâtel evitou isso usando aditivos de ácido fosfônico durante a cristalização das células de perovskita que ajudaram a prevenir a formação desses defeitos.

“Estes resultados mostram que a tecnologia está pronta para avançar para a próxima fase do seu desenvolvimento, o que significa que os aspectos de estabilidade e escalabilidade devem agora ser o foco central”, afirma Xin Yu Chin, cientista de materiais do Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Lausanne. laboratório fotovoltaico em Neuchâtel.

Usando uma abordagem diferente, a equipe de Berlim contou com um líquido iônico conhecido como iodeto de piperazínio. O fluido é um sal feito de cátions com carga positiva e ânions com carga negativa. Isso permitiu modificar defeitos superficiais positivos e negativos na perovskita para reduzir a recombinação.