Novo método de semeadura de cristal aumenta a eficiência da célula solar de perovskita para 23%

PSCs invertidos trocam as posições dessas duas camadas de transporte. Esta arquitetura invertida oferece alto potencial de conversão de energia e funciona bem com métodos de processamento baseados em soluções adequados para produção em larga escala, tornando-a um design fotovoltaico atraente.

Apesar dessas vantagens, os PSCs invertidos têm sido limitados por problemas na interface inferior, também conhecida como interface enterrada, onde a camada de perovskita entra em contato com a camada de transporte do furo. Nessa junção oculta, podem se formar irregularidades estruturais microscópicas e defeitos eletrônicos, reduzindo a eficiência e a durabilidade ao longo do tempo.

Pré-semeadura de Crystal-Solvate para controle de interface

Para resolver este problema, pesquisadores do Instituto Qingdao de Bioenergia e Tecnologia de Bioprocessos (QIBEBT) da Academia Chinesa de Ciências introduziram uma técnica de pré-semeadura de cristal-solvato (CSV) que permite controle preciso sobre esta interface crítica do fundo. Sua abordagem apóia o desenvolvimento de módulos solares de perovskita de grande área e alta eficiência. As descobertas foram publicadas em Síntese da Natureza em 27 de fevereiro.

O processo começa depositando sementes de solvato de cristal haleto de baixa dimensão especialmente projetadas com a fórmula química PDPbI4·DMSO em substratos modificados em monocamada automontada (SAM). Esses nanocristais CSV servem como um guia estrutural para os cristais de perovskita que crescem posteriormente.

Os nanocristais CSV em forma de bastão melhoram a forma como o precursor da perovskita se espalha pela superfície do SAM, que normalmente repele a água, permitindo uma cobertura mais uniforme. À medida que a cristalização prossegue, os nanocristais pré-depositados atuam como numerosos centros de nucleação, acelerando e direcionando a formação da camada de perovskita.

Recozimento com solvente confinado em rede aumenta a estabilidade

Um elemento-chave da estratégia envolve moléculas de dimetilsulfóxido (DMSO) incorporadas na estrutura cristalina do CSV. Durante o recozimento térmico, essas moléculas de DMSO são liberadas gradualmente, criando o que os pesquisadores chamam de ambiente de “recozimento com solvente confinado em rede” na interface inferior.

Esta atmosfera solvente localizada promove o rearranjo e o crescimento dos 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 bom desempenho mesmo em interfaces ocultas, que são notoriamente desafiadoras para controlar com precisão”.

Módulos solares de grande área de alta eficiência

Ao reduzir os vazios interfaciais e suavizar as ranhuras nos limites dos grãos, o método cria uma região densa e altamente orientada dentro do filme de perovskita (a “camada inferior” da perovskita). Esta melhoria estrutural leva a propriedades eletrônicas aprimoradas e maior resistência ao estresse induzido pelo calor e pela luz.

Os pesquisadores também combinaram o método de pré-semeadura CSV com um processo de revestimento slot-die para fabricar um minimódulo 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 das pequenas células de laboratório para o minimódulo maior foi inferior a 3% – um resultado que supera muitos estudos relatados anteriormente.

“Esta tecnologia supera o gargalo de escala de longa data causado pelos 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 energia fotovoltaica de perovskita, o conceito de pré-semeadura de cristal-solvato estabelece uma plataforma de material versátil: ao ajustar cátions orgânicos e moléculas de solvente, uma biblioteca diversificada de materiais CSV pode ser projetada, abrindo um novo paradigma para engenharia de interface em energia fotovoltaica de perovskita e outros dispositivos optoeletrônicos semicondutores de rede macia. “