Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Suzhou, em colaboração com a Universidade Politécnica de Hong Kong, criou uma camada compósita que não contém índio. Este material utiliza uma ponte molecular entre o perovskita e o silício para aumentar a eficiência e a estabilidade a longo prazo das células solares tandem.
Pesquisadores da Universidade de Suzhou, liderados pelos professores Yan Xinbo e Zhang Xiaohun, em colaboração com a Universidade Politécnica de Hong Kong e vários parceiros da indústria fotovoltaica, desenvolveram essa camada compósita. Ela forma uma ponte molecular entre as camadas de perovskita e silício cristalino em células solares tandem. Esta conquista resolve dois problemas sérios enfrentados pelas células fotovoltaicas tandem baseadas em perovskita e silício: perdas de carga na interface dos dois materiais e a redução da estabilidade a longo prazo, que impedia a implementação comercial dessas arquiteturas.
A ponte molecular funciona no nível atômico. A equipe de Suzhou desenvolveu uma monocamada auto-montável que se liga quimicamente tanto à superfície do perovskita quanto à superfície do silício. Isso cria um caminho eletrônico contínuo para transporte eficiente de carga, ao mesmo tempo que passiva os defeitos e suprime a recombinação radiativa.
A eliminação do uso de índio é de suma importância. O óxido de índio-estanho foi tradicionalmente usado como camada condutora transparente em telas e dispositivos fotovoltaicos. No entanto, o índio é classificado como um material crítico, sujeito a riscos de concentração na cadeia de suprimentos e a custos crescentes causados pela demanda da indústria de telas. A nova camada compósita exclui completamente o índio, substituindo-o por materiais mais acessíveis e menos caros que fornecem transparência óptica e condutividade elétrica comparáveis ou superiores. Essa substituição elimina tanto a barreira de custo para a comercialização das células solares tandem quanto o risco de interrupção do fornecimento de material, que preocupava a indústria fotovoltaica.
Esta pesquisa marca um progresso no caminho para a industrialização de tecnologias de próxima geração em fotovoltaica. Teoricamente, as células tandem de perovskita-silício podem demonstrar eficiências superiores ao limite de Shockley-Queisser para células de silício de junção única, que é de cerca de 29%. Células tandem laboratoriais já ultrapassaram 33% de eficiência, mas a tradução desses resultados em produtos comercialmente viáveis exige a resolução de problemas de estabilidade da interface e escalabilidade de produção, nos quais a abordagem da ponte molecular se concentra. O trabalho da equipe de Suzhou sugere que a engenharia molecular na interface perovskita-silício pode simultaneamente aumentar a eficiência e a vida útil operacional, eliminando dois obstáculos mais críticos no caminho para a comercialização. O modelo de colaboração entre universidade e indústria acelera a transição de desenvolvimentos laboratoriais para a produção. Com o sucesso na escalabilidade, a técnica da ponte molecular pode fortalecer a liderança da China no setor de energia solar, ao mesmo tempo que reduz a dependência do índio.
Cientistas da China desenvolveram uma célula solar de três camadas que combina perovskita e silício, demonstrando uma tensão recorde de 3,15 volts. O principal avanço foi a capacidade de estabilizar a camada superior de perovskita, que é a mais vulnerável, utilizando um sal orgânico.
As células solares tandem (bicamadas) oferecem maior eficiência em comparação com as células de silício padrão devido ao uso mais eficaz da luz solar. No entanto, a estrutura não se limita a duas camadas; é possível adicionar uma terceira, quarta ou até quinta camada fotoativa. Para alcançar a máxima eficiência geral, a banda proibida das camadas superiores deve ser mais larga, pois os fótons devem ser distribuídos entre as camadas em ordem decrescente de energia.
Ao contrário dos elementos de três camadas baseados em arsenieto de gálio e semicondutores III-V, que já são usados no espaço com eficiência superior a 40 por cento, os análogos baseados em perovskita e silício enfrentam dificuldades. A camada inferior é geralmente feita de silício com uma largura de banda proibida de 1,12 eletrôvolt, enquanto a segunda e a terceira são de perovskita. O maior desafio é obter e manter a estabilidade da terceira camada, que requer uma largura de banda proibida de 1,8 eletrôvolt ou mais.
Para expandir a banda proibida da perovskita, parte dos íons de iodo na rede cristalina é substituída por bromo. Um teor excessivo de bromo provoca segregação de fase: os íons começam a migrar, levando à formação de regiões heterogêneas com composições diferentes — onde o bromo predomina e onde o iodo predomina.
Cientistas chineses, sob a liderança de Hai Zhen Tang da Universidade de Nanquim, conseguiram criar um elemento perovskita de três camadas eficiente e estável. A estrutura utilizou uma célula heterojunção de silício com superfície texturizada como camada inferior. Acima dela, há uma perovskita com largura de banda proibida de 1,52 eletrôvolt, e a camada superior é uma perovskita ultra-wide band Cs0,25FA0,6MA0,15Pb(I0,43Br0,57)3 com uma banda proibida de 1,93 eletrôvolt, que era a principal fonte de problemas de estabilidade.
Para prevenir a segregação de fase na perovskita, Tang e sua equipe incorporaram o sal orgânico 1,4-fenilenodiamina diidroiodeto (PEDAI). Este aditivo forma ligações fortes com a estrutura cristalina, aumentando a barreira de migração de íons e promovendo maior homogeneidade da camada. Adicionalmente, as moléculas de PEDAI ocupam vazios e ligam-se aos íons de chumbo, reduzindo o número de defeitos dentro da perovskita. A superfície da camada também foi tratada com outro sal orgânico — 3MTPAI, que ajudou a reduzir o número de defeitos de contorno e melhorou o processo de transferência de elétrons.
Como resultado, foi obtido um dispositivo com eficiência de 26,18 por cento, confirmado por perícia independente, e uma tensão recorde de 3,15 volts. Embora essa eficiência ainda seja inferior à dos tandems bicamadas que atingiram 35,5 por cento neste mês, os autores esperam um rápido aumento da eficiência nos próximos anos. Em relação à estabilidade, os dispositivos apresentaram resultados dignos, mantendo 96 por cento da eficiência inicial após 1500 horas de operação contínua. Existe a hipótese de que os aditivos de sal propostos por Tang possam ser aplicados também para aumentar a estabilidade dos tandems bicamadas padrão.
