Novo design de célula fotovoltaica de perovskita/CIGS em conjunto promete eficiência de 38,39%

Da pv magazine Global

Um grupo de pesquisadores em Bangladesh projetou e simulou uma célula fotovoltaica em conjunto totalmente inorgânica, sem chumbo, baseada em tecnologia de película fina de cobre, índio, gálio e selênio (CIGS) e perovskita.

Alega-se que a nova arquitetura do dispositivo tem potencial para atingir uma eficiência de conversão de energia de 38,39%. “O principal objetivo deste trabalho é encontrar uma combinação eficiente de células solares não tóxicas e de alta eficiência, de modo a economizar tempo e esforço antes de partir para a fabricação”, disseram os cientistas, observando que a perovskita e os materiais utilizados para a célula são sem chumbo.

O projeto de célula solar proposto consiste em uma célula superior usando um absorvedor feito do material perovskita, conhecido como CsGe0.5Sn0.5I3, e uma célula inferior baseada em CIGS. Seus parâmetros estruturais são otimizados conjuntamente para atingir a maior eficiência possível.

Os cientistas usaram o software de capacitância de células solares SCAPS-1D, que é uma ferramenta de simulação para células solares de película fina desenvolvida pela Universidade de Ghent, na Bélgica, para simular o desempenho das células inferiores e superiores otimizadas separadamente. “A célula fotovoltaica é modelada neste software como uma pilha de camadas, onde são especificadas a espessura de cada camada, dopagem e outras propriedades físicas dos materiais que a compõem”, explicaram.

Eles construíram a célula superior com uma camada de transporte de furos de óxido de níquel (II) (NiO) (HTL), o absorvedor de perovskita, uma camada de transporte de elétrons de óxido de zinco (ZnO) e uma camada de óxido de estanho dopado com flúor (TFO). A célula inferior foi construída com uma camada transportadora de furos Spiro-OMeTAD, um absorvedor CIGS, uma camada transportadora de elétrons feita de óxido de titânio (TiO2) e uma camada de óxido de índio e estanho (ITO).

Os dois HTLs diferentes são supostamente capazes de fornecer compensações adequadas de valência e distribuição da banda de condução.

Para identificar a espessura ideal do absorvedor da célula superior, os pesquisadores simularam o dispositivo variando a espessura dele de 100 nm a 1.000 nm. “Observa-se que a eficiência aumenta gradativamente de 100 nm a 1.000 nm, quase começa a saturar em 800 nm e depois maximiza em 1.000 nm com valor de 36,25%”, afirmaram.

A simulação mostrou que as células superior e inferior podem atingir uma eficiência potencial de 24,656% e 25,062%, respectivamente. “Para ambas as subcélulas, a densidade de corrente coincide em cerca de 18,64 mA/cm2, significando a corrente correspondente”, afirmaram os acadêmicos. “Os resultados demonstram que a tensão da célula superior (1,4885 V) e da célula inferior (1,0006 V) se somam para produzir uma tensão de célula em conjunto de 2,48 V, com a célula superior dominando devido à sua grande tensão de circuito relativamente aberto”.

Na simulação, a célula tandem obteve eficiência de 38,39%, tensão de circuito aberto de 2,48 V, densidade de corrente de curto-circuito de 18,64 mA cm-2 e fator de preenchimento de 83,40%. “As matrizes de desempenho da estrutura em conjunto proposta superam as indicadas na literatura mais recente”, afirmou o grupo.

A célula solar foi apresentada no artigo “Outstanding conversion efficiency of 38.39% from a Perovskite/CIGS tandem PV cell: A synergic optimization through computational modeling”, publicado na Heliyon. O grupo de pesquisa é composto por cientistas da Southeast University e da University of Liberal Arts Bangladesh.

“As etapas associadas ao projeto são generalizadas, portanto, o método proposto também é aplicável para células em conjunto compostas por outros materiais”, afirmaram.