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Pesquisadores da Universidade de Oxford e da Exciton Science demonstraram uma nova maneira de criar células solares de perovskita estáveis, com menos defeitos e com potencial para finalmente rivalizar com a durabilidade do silício.
Ao remover o solvente dimetilsulfóxido e introduzir o cloreto de dimetilamônio como agente de cristalização, os pesquisadores conseguiram controlar melhor as fases intermediárias do processo de cristalização da perovskita, levando a filmes finos de maior qualidade, com defeitos reduzidos e maior estabilidade.
Grandes grupos de até 138 dispositivos de amostra foram então submetidos a um rigoroso envelhecimento acelerado e processo de teste em altas temperaturas e em condições do mundo real.
As células solares de perovskita de formamidínio-césio criadas usando o novo processo de síntese superaram significativamente o grupo de controle e demonstraram resistência à degradação térmica, umidade e luz.
Este é um grande passo à frente para igualar a estabilidade do silício comercial e torna os dispositivos tandem de perovskita-silício um candidato muito mais realista para se tornar a célula solar dominante da próxima geração.
Liderado pelo professor Henry Snaith (Universidade de Oxford) e pelo professor Udo Bach (Universidade Monash), o trabalho foi publicado na revista Materiais da Natureza e está disponível aqui.
O estudante de doutorado da Universidade de Oxford, Philippe Holzhey, um pesquisador Marie Curie em estágio inicial e primeiro autor conjunto do trabalho, disse: “É realmente importante que as pessoas comecem a mudar para perceber que não há valor no desempenho se não for um desempenho estável.
“Se o dispositivo dura um dia ou uma semana ou algo assim, não há muito valor nele. Tem que durar anos.”
Durante o teste, o melhor dispositivo operou acima do limite T80 por mais de 1.400 horas sob luz solar simulada a 65°C. T80 é o tempo que uma célula solar leva para reduzir a 80% de sua eficiência inicial, uma referência comum no campo de pesquisa.
Após 1.600 horas, o dispositivo de controle fabricado usando a abordagem convencional de dimetilsulfóxido parou de funcionar, enquanto os dispositivos fabricados com o novo design aprimorado retiveram 70% de sua eficiência original, sob condições de envelhecimento acelerado.
O mesmo estudo de degradação foi realizado em um grupo de dispositivos na temperatura muito alta de 85°C, com as novas células novamente superando o grupo de controle.
Extrapolando os dados, os pesquisadores calcularam que as novas células envelhecem em um fator de 1,7 para cada aumento de 10°C na temperatura a que são expostas, o que é quase o dobro do aumento esperado dos dispositivos comerciais de silício.
David McMeekin, o primeiro autor correspondente e co-autor do artigo, foi bolsista de pós-doutorado do Australian Centre for Advanced Photovoltaics (ACAP) na Monash University e agora é bolsista de pós-doutorado Marie Skłodowska-Curie na Oxford University.
Ele disse: “Acho que o que nos separa de outros estudos é que fizemos muito envelhecimento acelerado. Envelhecemos as células a 65°C e 85°C sob todo o espectro de luz.”
O número de dispositivos usados no estudo também é significativo, com muitos outros projetos de pesquisa em perovskita limitados a apenas um ou dois protótipos.
“A maioria dos estudos mostra apenas uma curva sem qualquer desvio padrão ou qualquer tipo de abordagem estatística para determinar se esse desenho é mais estável que o outro”, acrescentou David.
Os pesquisadores esperam que seu trabalho encoraje um maior foco na fase intermediária da cristalização da perovskita como um fator importante para alcançar maior estabilidade e viabilidade comercial.
Este trabalho foi financiado pelo Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) e pelo National Renewable Energy Laboratory (NREL).
Antecedentes: Sobre as perovskitas
Sintetizados artificialmente em condições de laboratório, os filmes finos semicondutores feitos de compostos de perovskita são muito mais baratos de produzir do que as células solares de silício, com maior flexibilidade e um intervalo de banda ajustável.
Eles surgiram inesperadamente na última década e atingiram eficiências de conversão de energia impressionantes de mais de 25%.
No entanto, muito foco tem sido colocado na criação da célula solar de perovskita mais eficiente, em vez de resolver os problemas fundamentais que inibem o uso do material em aplicações comerciais generalizadas.
Em comparação com o silício, as perovskitas podem se degradar rapidamente em condições do mundo real, com a exposição ao calor e à umidade causando danos e impactando negativamente o desempenho do dispositivo.
Resolver esses problemas de estabilidade é o principal desafio para as perovskitas em sua busca para assumir ou “aumentar” o silício por meio de uma arquitetura em tandem e ocupar seu lugar no cenário fotovoltaico comercial.
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