As células solares de perovskita convencionais (PSCs) são estruturadas com uma camada de perovskita abaixo da camada de absorção de luz e uma camada de transporte de buracos na parte superior. Embora esse layout ofereça alto desempenho em laboratório, ele enfrenta obstáculos na expansão para produção em larga escala e estabilidade a longo prazo.
Os PSCs invertidos trocaram esses dois níveis de transporte. Esta arquitetura invertida oferece alto potencial de conversão de energia e funciona bem com técnicas de processamento baseadas em soluções adequadas para produção em larga escala, tornando-a um projeto fotovoltaico atraente.
Apesar dessas vantagens, os PSCs invertidos têm sido limitados por problemas na interface inferior, também conhecida como interface oculta, onde a camada de perovskita entra em contato com a camada de transporte do buraco. Irregularidades estruturais microscópicas e defeitos eletrônicos podem se formar nesta junção oculta, reduzindo a eficiência e a durabilidade ao longo do tempo.
Pré-semeadura de solvato cristalino 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 o controle preciso desta importante interface inferior. Sua abordagem apoia o desenvolvimento de módulos solares de perovskita de grande área e alta eficiência. As descobertas foram publicadas em Síntese da natureza 27 de fevereiro.
O processo começa com a deposição de solvatos de cristais de haleto de baixa dimensão especialmente projetados com a fórmula química PDPbI4·DMSO em substratos modificados em monocamada automontada (SAM). Esses nanocristais CSV servem como referência 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 normalmente repelente à água do SAM, permitindo uma cobertura mais uniforme. À medida que o processo de cristalização avança, os nanocristais pré-depositados atuam como múltiplos centros de nucleação, acelerando e direcionando a formação da camada de perovskita.
O recozimento por solução em uma rede confinada melhora a estabilidade
Um elemento-chave da estratégia são as moléculas de dimetilsulfóxido (DMSO) incorporadas na estrutura cristalina do CSV. Durante o recozimento térmico, essas moléculas de DMSO são gradualmente liberadas, criando o que os pesquisadores chamam de ambiente de “recozimento com solvente limitado por rede” na parte inferior do limite.
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. Xuhong Sun, um dos autores do estudo. “Essa estratégia oferece bom desempenho mesmo em interfaces ocultas, que são notoriamente difíceis de monitorar com precisão”.
Módulos solares de grandes áreas altamente eficientes
Ao reduzir os vazios interfaciais e suavizar as ranhuras dos limites dos grãos, este método cria uma região densa e altamente orientada no filme de perovskita (a “camada inferior” da perovskita). Esta melhoria estrutural leva a melhores propriedades eletrônicas e maior resistência ao calor e ao estresse induzido pela luz.
Os pesquisadores também combinaram o método de pré-semeadura CSV com um processo de revestimento de lacunas para fabricar um minimódulo solar de perovskita com área de abertura de 49,91 cm.2. 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 publicados anteriormente.
“Esta tecnologia supera problemas de escala de longa data causados por efeitos de tamanho, combinando cristalização induzida e recuperação de interface latente”, disse o professor Shuping Pang. “Além de sua aplicação direta em energia fotovoltaica de perovskita, o conceito de pré-semeadura de um solvato cristalino cria uma plataforma de material versátil: ajustando cátions orgânicos e moléculas de solvente, uma biblioteca diversificada de materiais CSV pode ser desenvolvida, abrindo um novo paradigma para design de interface em energia fotovoltaica de perovskita e outros dispositivos optoeletrônicos semicondutores de rede macia. “
