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As células solares de perovskita (PVSCs) são uma alternativa promissora às células solares tradicionais à base de silício devido à sua alta eficiência de conversão de energia e baixo custo. No entanto, um dos maiores desafios no seu desenvolvimento tem sido alcançar a estabilidade a longo prazo. Recentemente, uma equipe de pesquisa da City University of Hong Kong (CityU) fez uma descoberta ao desenvolver um aditivo multifuncional e não volátil inovador que pode melhorar a eficiência e a estabilidade das células solares de perovskita modulando o crescimento do filme de perovskita. Essa estratégia simples e eficaz tem grande potencial para facilitar a comercialização de PVSCs.
“Esse tipo de aditivo multifuncional geralmente pode ser usado para fazer diferentes composições de perovskita para fabricar células solares de perovskita altamente eficientes e estáveis. Os filmes de perovskita de alta qualidade permitirão o aumento de escala de painéis solares de grande área”, explicou o professor Alex Jen Kwan-yue , Lee Shau Kee Professor titular de Ciência de Materiais e Diretor do Instituto de Energia Limpa de Hong Kong na CityU, que liderou o estudo.
Os PVSCs têm atraído atenção significativa devido à sua impressionante eficiência de conversão de energia solar (PCE). Como as perovskitas podem ser depositadas a partir de soluções nas superfícies de fabricação, os PVSCs têm potencial para serem aplicados em sistemas fotovoltaicos integrados em edifícios (BIPV), dispositivos vestíveis e aplicações em fazendas solares. No entanto, a eficiência e a estabilidade ainda são afetadas pela severa perda de energia associada a defeitos embutidos nas interfaces e contornos de grão das perovskitas. Portanto, a qualidade intrínseca do filme de perovskita desempenha um papel crítico na determinação da eficiência e estabilidade alcançáveis dos PVSCs.
Embora muitas pesquisas anteriores tenham se concentrado em melhorar a morfologia e a qualidade do filme com aditivos voláteis, esses aditivos tendem a escapar do filme após o recozimento, criando um vazio na interface perovskita-substrato.
Para resolver esses problemas, os pesquisadores da CityU desenvolveram uma estratégia simples, mas eficaz, de modular o crescimento do filme de perovskita para melhorar a qualidade do filme. Eles descobriram que, ao adicionar uma molécula multifuncional (cloridrato de ácido 4-guanidinobenzóico, (GBAC)) ao precursor da perovskita, uma fase intermediária com ponte de hidrogênio é formada e modula a cristalização para obter filmes de perovskita de alta qualidade com grandes grãos de cristal de perovskita e crescimento de grão coerente do fundo para a superfície do filme. Esta molécula também pode servir como um ligante de passivação de defeito eficaz (um método para reduzir a densidade de defeito do filme de perovskita) no filme de perovskita recozido devido à sua não volatilidade, resultando em perda de recombinação não radiativa significativamente reduzida e melhor qualidade do filme.
Seus experimentos mostraram que a densidade de defeitos de filmes de perovskita pode ser significativamente reduzida após a introdução de GBAC. A eficiência de conversão de energia das células solares de perovskita invertida (pin) com base nas perovskitas modificadas aumentou para 24,8% (24,5% certificado pelos Laboratórios de Tecnologia Ambiental e de Segurança Elétrica do Japão), que está entre os valores mais altos relatados na literatura. Além disso, a perda total de energia do dispositivo foi reduzida para 0,36eV, representando uma das menores perdas de energia entre os dispositivos PVSC com alta eficiência de conversão de energia.
Além disso, os dispositivos não encapsulados exibem estabilidade térmica aprimorada além de 1.000 horas sob aquecimento contínuo a 65 ± 5°C em um porta-luvas cheio de nitrogênio, mantendo 98% da eficiência original.
A equipe demonstrou a aplicabilidade geral dessa estratégia para diferentes composições de perovskita e dispositivos de grande área. Por exemplo, um dispositivo de área maior (1 cm2) no experimento forneceu um alto PCE de 22,7% com essa estratégia, indicando um excelente potencial para a fabricação de PVSCs escaláveis e altamente eficientes.
“Este trabalho fornece um caminho claro para alcançar a qualidade otimizada do filme de perovskita para facilitar o desenvolvimento de células solares de perovskita altamente eficientes e estáveis e seu aumento de escala para aplicações práticas”, disse o professor Jen.
No futuro, a equipe pretende estender ainda mais as estruturas moleculares e otimizar a estrutura do dispositivo por meio da engenharia composicional e interfacial. Eles também se concentrarão na fabricação de dispositivos de grande área.
As descobertas foram publicadas na revista científica Fotônica da Natureza sob o título “Intermediário de ligação de hidrogênio para células solares de perovskita com maior eficiência e estabilidade.”
A professora Jen é a autora correspondente da pesquisa. Os co-primeiros autores são Miss Li Fengzhu e Dr. Deng Xiang, do grupo de pesquisa do professor Jen. Outros membros da equipe da CityU incluem o Dr. Chen Xiankai, o Dr. Tsang Sai?wing, o Dr. Yang Zhengbao, o Dr. Francis Lin e o Dr. Wu Shengfan.
A pesquisa foi apoiada pela CityU, a Comissão de Inovação e Tecnologia, o Conselho de Bolsas de Pesquisa, o Fundo de Tecnologia Verde do Departamento de Meio Ambiente e Ecologia em Hong Kong, o Grande Projeto de Pesquisa Básica e Aplicada de Guangdong e o Guangdong-Hong Kong- Laboratório Conjunto de Materiais Funcionais Optoelectrónicos e Magnéticos de Macau.
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