Célula solar de junção tripla totalmente perovskita atinge 25,1% de eficiência

Da pv magazine Global

Um grupo internacional de pesquisadores liderado pela Universidade de Toronto, no Canadá, desenvolveu uma célula solar de junção tripla totalmente perovskita que supostamente mostra uma homogeneização melhorada do filme de perovskita de haleto.

Os cientistas disseram que sua nova estratégia para melhorar a qualidade do filme e a eficiência da célula pretendia superar um desafio típico dos dispositivos fotovoltaicos monolíticos de junção tripla de perovskita total, que geralmente exibem deslocamento de banda aumentado com camadas de transporte de carga e densidade de defeitos nos absorvedores de perovskita de banda larga. Isso mantém suas eficiências em níveis mais baixos do que os alcançados por suas contrapartes de junção dupla e simples.

“Procuramos melhorar a homogeneidade do haleto interfacial e do volume no absorvedor de perovskita de banda larga de 2 eV rico em bromo para reduzir as perdas energéticas”, disse o autor correspondente da pesquisa, Edward Sargent, à pv magazine.

Sua abordagem consistiu em uma técnica de passivação dupla de massa e interface com o objetivo de promover homogeneidade de haleto na interface entre o absorvedor de perovskita e a camada de transporte de furos (HTL). Envolve a introdução de um sal de haleto de diamônio conhecido como iodeto de propano-1,3-diamônio (PDA) durante a formação do filme.

A célula tinha área de 0,049 cm2 e configuração invertida. As células de perovskita invertida têm uma estrutura de dispositivo conhecida como “p-i-n“, na qual o contato furo-seletivo p está na parte inferior da camada intrínseca de perovskita i com a camada de transporte de elétrons n na parte superior.

O dispositivo foi projetado com um substrato de vidro, um retrocontato transparente de óxido de índio dopado com hidrogênio (IOH), uma camada de transporte de furo (HTL) feita de óxido de níquel (II) (NiOx) e ácido fosfônico chamado carbazol substituto de metila (Me-4PACz), um absorvedor de perovskita de bandgap largo, um espaçador à base  de éster metílico do ácido fenil-C61-butírico (PCBM) e polietilenimina (PEI), uma camada tampão de óxido de estanho (SnOx),  uma camada de óxido de índio estanho (ITO), outra HTL baseada em NiOx e Me-4PAC, um absorvedor de perovskita mid-bandgap, uma camada de transporte de elétrons (ETL) de buckminsterfulereno (C60), outra camada tampão SnOx, um contato metálico de ouro (Au), outro  HTL baseado no polímero PEDOT:PSS, um absorvedor de perovskita de bandgap estreito, um ETL feito de C60, outra camada tampão SnOx e um contato metálico de prata (Ag).

O bandgap de energia dos três absorvedores foi de 1,97 eV, 1,61 eV e 1,25 eV, respectivamente.

Os pesquisadores disseram que o PDA foi encontrado para ser eficaz em interagir com os precursores de perovskita e retardar a formação de filmes de perovskita durante o revestimento de spin, com os filmes exibindo cristalização atrasada. “Assim, especulamos que o PDA permite o crescimento controlado entre as espécies de haletos e facilita a transformação homogênea em fases de perovskita misturadas”, explicaram. “Os cátions PDA ligam-se fortemente às interfaces dos fragmentos de perovskita adjacentes, permitindo mais tempo de relaxamento para a troca de diferentes íons haleto e, assim, a formação de fases uniformes de perovskita de haletos mistos.”

Testado sob condições padrão de iluminação, o dispositivo de junção tripla mostrou uma eficiência de conversão de energia de 25,1%, uma tensão de circuito aberto de 3,33 V, uma corrente de curto-circuito de 9,7 mA cm2 e um fator de preenchimento de 0,78. O dispositivo também foi capaz de reter 80% de sua eficiência inicial após 200 h de rastreamento contínuo de ponto de potência máxima (MPPT).

O National Renewable Energy Lab (NREL) do Departamento de Energia dos EUA, por sua vez, certificou uma eficiência de 23,87% para o dispositivo usando o protocolo de varredura de potência máxima assintótica.

“Observamos que, embora o sal de diamônio não suprime a segregação de haleto induzida pela luz, a célula de bandgap largo mantém alta estabilidade operacional sob iluminação prolongada, além da estabilidade de células anteriores de aproximadamente 2 eV relatadas na literatura”, disseram os cientistas.

A célula foi descrita no estudo “Halide homogeneization for low energy loss in 2-eV-bandgap perovskites and increased efficiency in all-perovskite triple-junction solar cells“, publicado na Nature Energy. A equipe incluiu acadêmicos da  Universidade de Tecnologia de Eindhoven, na Holanda, e da Universidade de  Washington, nos Estados Unidos, além da Universidade de Oxford e da Universidade de Cambridge, no Reino Unido.