Cientistas desenvolvem novo método para criar células solares de próxima geração estáveis ​​e eficientes

Os cientistas, incluindo Nelson Dzade, professor da Penn State, relataram na revista Energia da Natureza seu novo método para criar células solares de perovskita mais duráveis ​​que ainda alcançam uma alta eficiência de 21,59% de conversão de luz solar em eletricidade.

As perovskitas são uma tecnologia solar promissora porque as células podem ser fabricadas à temperatura ambiente usando menos energia do que os materiais tradicionais de silício, tornando-as mais acessíveis e mais sustentáveis ​​de produzir, de acordo com Dzade, professor assistente de energia e engenharia mineral na Universidade John e Willie Leone. Departamento Familiar de Energia e Engenharia Mineral e coautor do estudo. Mas os principais candidatos usados ​​para fabricar esses dispositivos, haletos metálicos híbridos orgânicos-inorgânicos, contêm componentes orgânicos que são suscetíveis à umidade, oxigênio e calor, e a exposição a condições do mundo real pode levar a uma rápida degradação do desempenho, disseram os cientistas.

Uma solução envolve recorrer a materiais de perovskita totalmente inorgânicos, como o iodeto de césio-chumbo, que possui boas propriedades elétricas e uma tolerância superior a fatores ambientais. Porém, este material é polimórfico, o que significa que possui múltiplas fases com diferentes estruturas cristalinas. Duas das fases fotoativas são boas para células solares, mas podem facilmente se converter em uma fase não fotoativa indesejável à temperatura ambiente, o que introduz defeitos e degrada a eficiência da célula solar, disseram os cientistas.

Os cientistas combinaram os dois polimorfos fotoativos do iodeto de césio e chumbo para formar uma heterojunção de fase – que pode suprimir a transformação para a fase indesejável, disseram os cientistas. As heterojunções são formadas pelo empilhamento de diferentes materiais semicondutores, como camadas em uma célula solar, com propriedades optoeletrônicas diferentes. Essas junções em dispositivos solares podem ser adaptadas para ajudar a absorver mais energia do sol e convertê-la em eletricidade de forma mais eficiente.

“O que há de bonito neste trabalho é que ele mostra que a fabricação de células solares de heterojunção de fase utilizando dois polimorfos do mesmo material é o caminho a seguir”, disse Dzade. “Melhora a estabilidade do material e evita a interconversão entre as duas fases. A formação de uma interface coerente entre as duas fases permite que os elétrons fluam facilmente através do dispositivo, levando a uma maior eficiência de conversão de energia. Isso é o que demonstramos neste trabalho. “

Os pesquisadores fabricaram um dispositivo que alcançou eficiência de conversão de energia de 21,59%, uma das maiores relatadas para esse tipo de abordagem, e excelente estabilidade. Os dispositivos mantiveram mais de 90% da eficiência inicial após 200 horas de armazenamento em condições ambientais, disse Dzade.

“Quando dimensionado de um laboratório para um módulo solar do mundo real, nosso projeto exibiu uma eficiência de conversão de energia de 18,43% para uma área de célula solar de mais de 7 polegadas quadradas (18,08 centímetros quadrados)”, disse Dzade. “Esses resultados iniciais destacam o potencial de nossa abordagem para o desenvolvimento de módulos de células solares de perovskita ultragrandes e para avaliar de forma confiável sua estabilidade.”

Dzade modelou a estrutura e as propriedades eletrônicas da heterojunção em escala atômica e descobriu que reunir as duas fases fotoativas criou uma estrutura de interface estável e coerente, que promove separação e transferência eficiente de carga – propriedades desejáveis ​​para alcançar dispositivos solares de alta eficiência.

Os colegas de Dzade na Universidade de Chonnam, na Coreia do Sul, desenvolveram o método único de deposição dupla para fabricar o dispositivo – depositando uma fase com uma técnica de ar quente e a outra com evaporação térmica de fonte tripla. A adição de pequenas quantidades de aditivos moleculares e orgânicos durante o processo de deposição melhorou ainda mais as propriedades elétricas, a eficiência e a estabilidade do dispositivo, disse Sawanta S. Mali, professor pesquisador da Universidade de Chonnam, na Coreia do Sul, e autor principal do artigo.

“Acreditamos que a técnica de deposição dupla que desenvolvemos neste trabalho terá implicações importantes para a fabricação de células solares de perovskita altamente eficientes e estáveis ​​no futuro”, disse Nelson Dzade, professor assistente de energia e engenharia mineral no Departamento de Energia da Família John e Willie Leone. e Engenharia Mineral e coautor do estudo.

Os pesquisadores disseram que a técnica de deposição dupla poderia abrir caminho para o desenvolvimento de células solares adicionais baseadas em todas as perovskitas inorgânicas ou outras composições de haleto de perovskita. Além de estender a técnica a diferentes composições, o trabalho futuro envolverá tornar as atuais células de heterojunção de fase mais duráveis ​​em condições do mundo real e aumentá-las para o tamanho dos painéis solares tradicionais, disseram os pesquisadores.

“Com esta abordagem, acreditamos que será possível, num futuro próximo, aumentar a eficiência deste material para além dos 25%”, disse Dzade. “E assim que fizermos isso, a comercialização ficará muito próxima.”

Também contribuíram Chang Kook Hong, professor, e Jyoti Patil, professor pesquisador, na Universidade Nacional de Chonnam, Coreia do Sul; Yu-Wu Zhong, professor, e Jiang-Yang Shao, pesquisador do Instituto de Química da Academia Chinesa de Ciências; e Sachin Rondiya, professor assistente do Instituto Indiano de Ciência.

A Fundação Nacional de Pesquisa da Coreia apoiou este trabalho. Simulações computacionais foram realizadas no Supercomputador Roar no Instituto de Ciências Computacionais e de Dados da Penn State.