Pesquisadores projetam célula solar de perovskita à base de estanho-germânio com eficiência potencial de 31,49%

Da pv magazine Global

Um grupo de pesquisadores liderados pela Universiti Malaysia Perlis, da Malásia, projetou uma célula solar de perovskita catiônica mista baseada em um absorvedor de perovskita que integra estanho (Sn) e germânio (Ge) como cátions B mistos.

Os absorvedores de perovskita que usam cátions mistos, comumente chamados de cátion A e cátion B, têm estabilidade melhorada, absorção de luz e maior mobilidade do portador de carga. Os cátions A são usados para controlar o bandgap e a estabilidade do material perovskita, enquanto os cátions B são destinados a modificar as características elétricas e ópticas das perovskitas.

Os cientistas explicaram que o uso de ambos os elementos no cátion B via “engenharia composicional” permite reduzir seus respectivos defeitos e aumentar o desempenho celular, quando comparado ao uso de cada um deles separadamente. Além disso, os átomos de Ge podem substituir os átomos de Sn na estrutura cristalina da perovskita.

“Essa substituição ajuda a evitar a formação de vagas que podem ocorrer quando átomos de Sn estão ausentes”, acrescentaram. “A adição de Ge preenche essas vagas, estabilizando a estrutura cristalina e reduzindo defeitos. O Ge também pode atuar como um íon substituto, especificamente o Ge2+, que ajuda a manter o equilíbrio de carga na rede cristalina e reduz a ocorrência de defeitos carregados.”

Os cientistas usaram  o software de capacitância de célula solar SCAPS-1D  , desenvolvido pela Universidade de Ghent, para simular a nova configuração da célula. A célula foi baseada em substrato feito de vidro e óxido de estanho dopado com flúor (FTO), uma camada de transporte de elétrons (ETL) baseada em óxido de estanho (SnO2) ou dióxido de titânio (TiO2), o absorvedor de perovskita integrando Sn e Ge, uma camada transportadora de furos (HTL) feita com Spiro-OMeTAD ou óxido de cobre(II) (Cu2O) e um contato metálico com ouro (Au).

A equipe simulou a célula com diferentes parâmetros, incluindo espessura da camada, bandgap, afinidade eletrônica e permissividade dielétrica relativa, entre outros. Assumiu que a espessura do absorvedor variasse de 300 nm a 6 mil nm.

Simulada sob condição de iluminação padrão, uma célula solar com um absorvedor de 300 nm de espessura alcançou uma eficiência de conversão de energia de 25,23%, uma tensão de circuito aberto de 1,0410 V, uma densidade de corrente de curto-circuito de 27,4995 mA/cm2 e um fator de preenchimento de 88,14%. Por outro lado, um dispositivo com um absorvedor de 6.000 nm de espessura atingiu uma eficiência de 31,73%, uma tensão de circuito aberto de 1,0426 V, uma densidade de corrente de curto-circuito de 34,5235mA/cm2 e um fator de preenchimento de 88,11%.

“O aumento da luz capturada no comprimento de onda máximo (920 nm) de 20,36% para 58,89% à medida que a espessura da camada de perovskita aumenta de 300 nm para 1200 nm indica melhor aprisionamento de luz e redução das perdas de reflexão”, explicaram os acadêmicos. “Além disso, o fator de enchimento entre 87% e 88%, com um aumento de eficiência da configuração inicial de 24,25% para uma condição ótima de 31,49% a 293 K, mostra que essas células solares coletaram e transportaram com sucesso transportadores de carga.”

A nova arquitetura celular foi apresentada no estudo “Mixed cations tin-germanium perovskite: A promising approach for enhanced solar cell applications“, publicado na Helyion. Olhando para o futuro, os pesquisadores disseram que querem validar a precisão dos modelos, identificar discrepâncias e refinar os parâmetros da pesquisa.