Divergent Solid-state Conversion Pathways in Evaporated All-perovskite Tandem Solar Cells
Ao revelar mecanismos divergentes de conversão de estado sólido em empilhamentos de perovskita de banda larga e banda estreita evaporados sequencialmente, este estudo estabelece o controle específico da banda proibida como um princípio de design para viabilizar a primeira célula solar tandem de perovskita total evaporada com uma eficiência de 19,2% e estabilidade térmica aprimorada.
Artigo original sob licença CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Esta é uma explicação gerada por IA do artigo abaixo. Não foi escrita nem endossada pelos autores. Para precisão técnica, consulte o artigo original. Ler aviso legal completo
A energia solar tem sido limitada há muito tempo por um teto fundamental: uma única camada de material só consegue capturar uma fatia específica da luz solar, deixando o resto passar ou transformando-o em calor desperdiçado. Para quebrar essa barreira, os cientistas recorreram ao empilhamento de duas camadas diferentes uma sobre a outra, criando uma célula tandem onde a camada superior captura a luz de alta energia e a camada inferior captura o restante. O material mais promissor para este trabalho é uma classe de cristais chamados perovskitas, que podem ser ajustados para absorver diferentes cores de luz. Embora estas células tenham alcançado níveis impressionantes de eficiência em laboratório, elas são atualmente fabricadas utilizando produtos químicos líquidos. Este método envolve solventes tóxicos e etapas desordenadas que são difíceis de escalar para painéis grandes, flexíveis ou de tamanho industrial. Uma alternativa mais limpa e precisa é construir estas camadas do zero em vácuo, evaporando materiais sólidos até que formem um filme, tal como o gelo a formar-se numa janela. No entanto, embora este método de vácuo funcione bem para camadas simples, os cientistas têm tido dificuldade em compreender como fabricar as camadas complexas de materiais mistos necessárias para células tandem sem o auxílio de líquidos.
Uma equipa de investigadores resolveu agora este enigma ao observar, em tempo real, como estas camadas depositadas em vácuo se transformam em células solares funcionais. Eles descobriram que o processo não é um evento único e uniforme, mas sim dois caminhos inteiramente diferentes dependendo do tipo de material que está a ser fabricado. Ao criar a camada superior, que é desenhada para absorver luz azul e verde, os materiais misturam-se de forma rápida e uniforme antes mesmo de a estrutura cristalina final se formar. Os investigadores descobriram que a cor de luz que esta camada absorve é determinada simplesmente pela quantidade de um ingrediente específico contendo bromo que é adicionada, independentemente da proporção de outros ingredientes. O sistema funciona como uma sopa bem misturada onde o sabor final depende da quantidade total de um tempero chave, não da proporção dos outros ingredientes.
Em contraste total, a camada inferior, que é desenhada para absorver luz vermelha e infravermelha usando uma mistura de estanho e chumbo, segue um caminho muito mais caótico. Assim que o componente orgânico é adicionado, inicia-se uma reação na interface entre as camadas, formando uma crosta sólida que aprisiona os materiais restantes por baixo. Esta formação precoce cria uma barreira que impede que os ingredientes se misturem totalmente. Em vez de uma mistura uniforme, o cristal final acaba com um gradiente vertical, onde o topo é rico em chumbo e a base é rica em estanho. Os investigadores perceberam que esta mistura desigual acontece porque a rede cristalina se forma e endurece mais rapidamente do que os átomos metálicos conseguem trocar de lugar para encontrar os seus locais perfeitos. Este conhecimento explica por que razão as tentativas anteriores de fabricar estas células foram inconsistentes; o processo estava a tentar forçar uma mistura uniforme num sistema que naturalmente resiste a ela.
Armada com este entendimento de como os materiais se comportam, a equipa otimizou o aquecimento e o tempo para cada camada separadamente. Eles criaram com sucesso uma célula solar tandem completa onde ambas as camadas foram formadas inteiramente através deste método seco baseado em vácuo, sem uma única gota de solvente líquido. O dispositivo resultante converteu a luz solar em eletricidade com uma eficiência de 19,2 por cento, um marco significativo para esta técnica de fabrico específica. Além disso, as células provaram ser notavelmente duráveis; quando armazenadas num ambiente quente durante 1.200 horas, retiveram 80 por cento do seu desempenho inicial. Este trabalho demonstra que, ao adaptar o processo de fabrico ao comportamento físico específico de cada camada, é possível construir células solares de alta qualidade, livres de solventes, que estão prontas para a próxima geração de energia solar flexível e de grande escala.
Afogado em artigos na sua área?
Receba digests diários dos artigos mais recentes que correspondam às suas palavras-chave de pesquisa — com resumos técnicos, no seu idioma.