Cientistas afirmam eficiência de 21,1% para módulo solar de perovskita construído com aditivos de cristais líquidos

Da pv magazine Global

Um grupo de pesquisa internacional procurou abordar um dos desafios de comercialização de células solares de perovskita, mantendo alta eficiência ao escalar do nível de célula para módulo.

“A transição de células em escala de laboratório para módulos maiores representa uma perda de eficiência notável”, disse o principal autor da pesquisa, Yi Yang, à pv magazine. “A mais alta eficiência certificada de área de abertura estabilizada para módulos solares de perovskita com mais de 30 cm2 de área foi observada recentemente em aproximadamente 19,5%. Isso vem em parte de defeitos que surgem durante o processamento da solução”.

Os aditivos usados em pesquisas anteriores tendiam a se agregar dentro do filme de perovskita durante a co-precipitação no curso da evaporação do solvente, de acordo com Yang. “Isso nos levou a formular uma hipótese: explorar métodos de processamento alternativos além da precipitação evaporativa e cristalização comumente usadas poderia potencialmente diminuir defeitos e a presença de inclusões isolantes”, disse Yang.

Os acadêmicos utilizaram cristais líquidos termotrópicos para evitar a precipitação evaporativa dos aditivos convencionais e o acúmulo típico de interface para permitir a passivação uniforme dos filmes de perovskita de grande área. “A abordagem alcançou uma eficiência de varredura rápida de 21,8% e eficiência estabilizada de 21,1% para minimódulos de perovskita de 30 cm2 com estabilidade aprimorada”, disse Yang.

Especificamente, a equipe trabalhou com cristais líquidos termotrópicos, como 3,4,5-trifluoro-4′-(trans-4-propilciclohexil) bifenil (TFPCBP), incorporando o material nos filmes de perovskita de grande área.

As células foram fabricadas em uma configuração n–i–p, empregando um substrato de óxido de estanho dopado com flúor (FTO), uma camada de transporte de elétrons (ETL) baseada em um óxido de buckminsterfulereno (C60) e estanho (IV) (SnO2), um absorvedor de perovskita, uma camada transportadora de furos de Spiro-OMeTAD e um contato metálico com ouro (Au).

Os módulos solares de perovskita consistiram em seis e nove subcélulas conectadas em série em substratos de 5 cm × 5 cm e 6,5 cm × 7 cm, respectivamente.

A equipe selecionou cristais líquidos termotrópicos por causa de sua “transição de fase mesomórfica característica de uma fase sólida para uma fase líquida isotrópica quando aquecida”. Permanecem na fase líquida enquanto a perovskita se solidifica. “A difusão eficiente dentro de um sistema misto líquido-sólido permitiu que as moléculas de TFPCBP se distribuíssem uniformemente por todo o filme para uma passivação homogênea de defeitos”, disse Yang.

Os acadêmicos conduziram vários testes de estabilidade baseados em padrões das células e módulos tratados, incluindo testes de viés reverso, e encontraram resultados de estabilidade superiores. Por exemplo, a estabilidade ao calor úmido dos módulos encapsulados foi testada usando o procedimento ISOS-D-3, submetendo-os a 85% UR a 85 C. “Os módulos baseados em TFPCBP retiveram 86% de sua eficiência inicial após 1.200 h, em comparação com 51% de retenção para o controle”, observaram os pesquisadores, acrescentando que “representa a estabilidade de calor úmido de vida mais longa na literatura entre os módulos solares de perovskita n-i-p”.

A equipe vê o potencial de transferir a tecnologia para processos de revestimento de slot-die para fabricar submódulos de perovskita de área maior. Além disso, Yang vê oportunidades para uma maior exploração da funcionalidade e estrutura de fase das moléculas de cristal líquido para melhorar os efeitos de passivação e a estabilidade do dispositivo.

Suas descobertas estão disponíveis no estudo “A thermotropic liquid crystal enables efficient and stable perovskite solar modules“, publicado na Nature Energy.  Os cientistas vieram da Universidade Northwestern, do Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Lausanne, da North China Electric Power University, da Universidade de Toronto e do Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA.