Pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia King Abdullah (KAUST) na Arábia Saudita e do Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energia Solar (Fraunhofer ISE) na Alemanha fabricaram células solares tandem de perovskita-silício com uma tensão de circuito aberto de 1,9 V e eficiência de conversão de energia de 27,8% usando um novo revestimento híbrido evaporado/lâmina de duas etapas para aplicar a perovskita na subcélula de silício.
O desenvolvimento é um dos resultados de uma colaboração de 18 meses entre o Fraunhofer ISE e a KAUST. “É o culminar da combinação da extensa experiência do Fraunhofer ISE no método híbrido de evaporação/química úmida com a experiência da KAUST no aumento da deposição de perovskita por meio de revestimento de lâmina”, disse o principal autor da pesquisa, Er-Raji, à pv magazine.
No artigo “Coating dynamics in two-step hybrid evaporated/blade-coated perovskites for scalable fully-textured perovskite/silicon tandem solar cells“, publicado na EES Solar, a equipe de pesquisa delineou um método de laboratório baseado em evaporação híbrida/revestimento por rotação com uma nova abordagem híbrida de evaporação/revestimento de lâmina em duas etapas em filmes finos, junção única e células solares em tandem de perovskita-silício. O estudo relata os resultados experimentais com células solares teóricas incluindo a análise da influência dos mecanismos de fluidos envolvidos no processo de revestimento da lâmina.
“Combinando resultados experimentais com considerações teóricas sobre a formação de meniscos, analisamos de forma abrangente a influência dos mecanismos de fluido envolvidos no processo de revestimento da lâmina e descobrimos que as propriedades finais do filme de perovskita podem ser controladas por meio de duas propriedades principais: espessura do filme úmido e taxa de evaporação do solvente”, disseram os pesquisadores.
Os aprendizados sobre a dinâmica durante o revestimento da lâmina podem eventualmente ser transferidos pelos pesquisadores para o processo de revestimento de matriz de ranhura ainda mais escalável, de acordo com Juliane Borchert, líder do grupo de Materiais e Interfaces de Perovskita da Fraunhofer ISE em um comunicado.
“Uma novidade importante deste trabalho foi a identificação de uma correlação direta entre a velocidade da pá e a taxa de conversão de perovskita – um parâmetro crucial no método híbrido que quantifica a transformação de material inorgânico evaporado na fase fotoativa de perovskita”, afirmou Er-Raji.
“Nossas observações revelaram que, quando a velocidade do revestimento era menor que a taxa de evaporação do solvente, a rápida evaporação do solvente comprometia o processo de conversão. Por outro lado, no regime de Landau-Levic, a conservação de um filme úmido permitiu a infiltração total de precursores orgânicos no andaime inorgânico, garantindo a conversão completa”, acrescentou. A equação de Landau-Levich é amplamente utilizada na pesquisa solar para prever a espessura de camadas úmidas depositadas em substratos por revestimento por imersão.
O grupo também foi capaz de transferir o uso de aditivos de cristalização para o processo híbrido de evaporação/revestimento de lâmina, aumentando o tamanho do grão, conforme demonstrado anteriormente, sem exigir ajustes na concentração ou receita de recozimento, de acordo com Er-Raji.
O processo supostamente permitiu um “volume de solução oito vezes menor do que o usado no método híbrido de evaporação/revestimento por rotação”.
“Finalmente, realizamos o primeiro teste de estabilidade externa para uma célula solar tandem usando a fabricação de filme de perovskita escalável em células de fundo de silício com texturização relevante para a indústria. A avaliação de estabilidade operacional de um mês indicou a necessidade de uma qualidade a granel de perovskita mais robusta, que pretendemos melhorar por meio da engenharia de composição em estudos futuros”, relatou Er-Raji.
Olhando para pesquisas futuras nesse sentido, Er-raj disse: “Agora que obtivemos uma compreensão mais profunda da dinâmica do revestimento, aproveitaremos esses aprendizados para refinar a composição da perovskita e melhorar a estabilidade operacional de nossos dispositivos”. Mais trabalhos estão planejados sobre passivação interfacial para minimizar a recombinação não radiativa induzida por defeitos e estender a estabilidade, bem como abordagens químicas úmidas escaláveis, impressão a jato de tinta e processos de revestimento por pulverização.
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