A estrutura de uma célula solar de perovskita tradicional (PSC) é: a camada de transporte de elétrons está localizada abaixo da camada de absorção de luz da perovskita e a camada de transporte de buracos está no topo. Embora este layout proporcione um forte desempenho laboratorial, ele enfrenta obstáculos ao ser ampliado para alcançar a fabricação em grandes áreas e estabilidade a longo prazo.
O PSC reverso troca as posições das duas camadas de transporte. Esta arquitetura inversa oferece alto potencial de conversão de energia e funciona bem com métodos de processamento baseados em soluções adequados para produção em massa, tornando-a um projeto fotovoltaico atraente.
Apesar dessas vantagens, os PSCs invertidos ainda são limitados pelo problema da interface inferior (também chamada de interface enterrada), onde a camada de perovskita está em contato com a camada de transporte do furo. Nessa junção oculta, podem se formar irregularidades microestruturais e defeitos eletrônicos, reduzindo a eficiência e a durabilidade ao longo do tempo.
Pré-configuração de solvato de cristal para controle de interface
Para resolver este problema, pesquisadores do Instituto de Bioenergia e Tecnologia de Processos de Qingdao (QIBEBT), da Academia Chinesa de Ciências, introduziram uma tecnologia de pré-semeadura de solvato de cristal (CSV) que pode controlar com precisão essa interface crítica do fundo. Sua abordagem apoia o desenvolvimento de módulos solares de perovskita eficientes e de grande área. Os resultados da pesquisa foram publicados em Síntese natural 27 de fevereiro.
Este processo começa depositando sementes de solvato de cristal de haleto de baixa dimensão especialmente projetadas com a fórmula química PDPbI4·DMSO em um substrato modificado de monocamada automontada (SAM). Esses nanocristais CSV servem como guias estruturais para os cristais de perovskita subsequentemente cultivados.
Os nanocristais CSV em forma de bastão melhoram a propagação de precursores de perovskita em superfícies típicas de SAM à prova d’água, resultando em uma cobertura mais uniforme. À medida que a cristalização prossegue, os nanocristais pré-depositados atuam como numerosos centros de nucleação, acelerando e orientando a formação da camada de perovskita.
O recozimento com solvente confinado em rede aumenta a estabilidade
O elemento chave desta estratégia envolve moléculas de dimetilsulfóxido (DMSO) incorporadas na estrutura cristalina do CSV. Durante o processo de recozimento térmico, essas moléculas de DMSO são gradualmente liberadas, formando o que os pesquisadores chamam de ambiente de “recozimento com solvente confinado em rede” na interface inferior.
Essa atmosfera solvente local promove o rearranjo e o crescimento dos grãos, que junto com o processo de cristalização das sementes produz um filme mais uniforme e estável.
“Desenvolvemos uma abordagem integrada que aborda simultaneamente o ajuste de cristalização e a estabilização de interface”, disse o Dr. Xiuhong Sun, co-autor do estudo. “Essa estratégia oferece bom desempenho mesmo em interfaces ocultas, que são notoriamente desafiadoras para um controle preciso.”
Módulos de células solares de grande área de alta eficiência
Ao reduzir os vazios interfaciais e suavizar as ranhuras nos limites dos grãos, o método cria regiões densas e altamente orientadas dentro do filme de perovskita (a “camada inferior” da perovskita). Esta melhoria estrutural resulta em propriedades eletrônicas aprimoradas e maior resistência ao estresse térmico e induzido pela luz.
Os pesquisadores também combinaram o método de pré-semeadura CSV com o processo de revestimento de matriz de fenda para criar um micromódulo solar de perovskita com uma área de abertura de 49,91 cm.2. O componente alcançou uma eficiência de conversão de energia de 23,15%. A eficiência caiu menos de 3% de pequenas células de laboratório para minimódulos maiores, um resultado que excede muitos estudos relatados anteriormente.
“Esta tecnologia supera o gargalo de escala de longa data causado por efeitos de tamanho através de uma combinação de cristalização induzida e recuperação de interface enterrada”, disse o professor Pang Shuping. “Além das aplicações diretas em energia fotovoltaica de perovskita, o conceito de pré-semeadura de solvato de cristal também estabelece uma plataforma de materiais versátil: ao adaptar 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. “
