Cientistas na China, liderados por uma equipe de pesquisa do Centro de tecnologia fotovoltaica da Tongwei Co., Ltd, uma unidade da fabricante chinesa verticalmente integrada Tongwei, usou um processo de recozimento sequencial de temperatura mais baixa para fabricar células solares em tandem de dois terminais que tinham uma célula superior de perovskita de banda larga (1,73 eV) em uma célula inferior de heterojunção de silício cristalino comercial (SHJ) totalmente texturizada.
“Com um processo de recozimento sequencial cuidadosamente modulado em ambiente, obtemos filmes de perovskita de banda larga de alta qualidade cultivados em substratos de silício totalmente texturizados com defeitos reduzidos e distribuição homogênea de composição, permitindo a obtenção de tandems de perovskita-silício com uma eficiência de conversão de energia certificada (PCE) de 31,4%, que está entre os dispositivos tandem de melhor desempenho que utilizam subcélulas de silício comerciais”, afirmou Yuchao Hu, autor correspondente da pesquisa, à pv magazine.
O dispositivo tandem campeão foi certificado pelo Instituto Nacional de Tecnologia de Medição e Teste (NIMTT) e pelo Instituto de Metrologia de Fujian (FJIM).
A pesquisa é descrita em “Crystallization Modulation of Wide-Bandgap Perovskites on Textured Silicon for Tandem Solar Cells“, publicado na ACS Energy Letters.
Ciente dos desafios de usar um método convencional de duas etapas de solução de evaporação para formar perovskitas de banda larga em células comerciais de fundo de silício SHJ, a equipe de pesquisa investigou maneiras de superar a umidade e os efeitos complexos induzidos por calor na cristalização e degradação de filmes de perovskita.
A equipe investigou o processo de transição de fase da perovskita para revelar o mecanismo de cinética de cristalização de perovskitas de banda larga, “esclarecendo os mecanismos de influência de condições externas”, como umidade e calor na cristalização do filme.
“Para superar a questão complexa, desenvolvemos uma estratégia de cristalização sequencial e realizamos modulações finas nos processos de difusão de haleto orgânico e recristalização de perovskita. Essa estratégia inovadora permitiu a fabricação de filmes de perovskita de banda larga de alta qualidade cultivados de forma conforme com componentes quimicamente homogêneos e reduziu defeitos em células de silício com grandes pirâmides”, especificou Hu.
É uma estratégia que tem potencial de transferência industrial. “O processo de recozimento requer temperaturas tão baixas quanto 100-150 C e durações inferiores à meia hora”, disse Hu, explicando que tais condições são “prontamente alcançáveis” com equipamentos de recozimento industrial estabelecidos, como fornos de túnel, “demonstrando forte potencial para aumento de escala do processo”.
O material de perovskita para a célula superior foi feito de iodeto de formamidínio (FAI), brometo de formamidínio (FABr), brometo de césio (CsBr), além de aditivos.
As subcélulas SHJ foram baseadas em wafers de silício totalmente texturizados do tipo N com espessura de 110 μm. Um revestimento transparente de óxido condutor (TCO) foi depositado na parte traseira, seguido por eletrodos de prata (Ag), e na parte frontal uma camada de óxido de índio e estanho (ITO) foi depositada.
A pilha da subcélula de perovskita estruturada p-i-n foi a seguinte: camada de transporte de buraco (HTL) de óxido de níquel (NiOx), 2PACz, camada de estrutura de iodeto de chumbo (PbI2), absorvedor de perovskita, passivação de diodeto de etilenodiamônio (EDAI2), camada de transporte de elétrons buckminsterfulereno (C60), camada tampão SnOx, TCO, contatos Ag, revestimento antirreflexo de fluoreto de lítio (LiF) (ARC).
O bandgap de energia dos filmes de perovskita é de 1,73 eV, o que “atende bem à demanda de gerenciamento de luz para os wafers comerciais de c-silício de 110 μm empregados”, observaram os pesquisadores.
Um dos dispositivos-alvo de melhor desempenho foi certificado com uma eficiência de 31,4%, uma tensão de circuito aberto de 1,905 V, um fator de preenchimento de 81,20% e uma densidade de corrente de curto-circuito de 20,30 mA/cm². Ele superou o dispositivo de controle preparado usando o procedimento de recozimento convencional, que teve uma eficiência de 29,43%, uma tensão de circuito aberto de 1,915 V, um fator de preenchimento de 75,67% e uma densidade de corrente de curto-circuito de 20,31 mA/cm².
Colaborando na pesquisa estava uma equipe da Universidade de Ciência e Tecnologia Eletrônica da China.
A equipe agora está direcionando sua atenção para “a fabricação em grande área de células solares em tandem 210 em tamanho real, módulos tandem padrão da indústria e sua estabilidade operacional em condições de trabalho ao ar livre”, de acordo com Hu.
Em um comunicado sobre a pesquisa, a Tongwei afirmou que seu laboratório de pesquisa de células em tandem de perovskita-silício foi estabelecido no terceiro trimestre de 2022 para industrializar células em tandem seguindo um roteiro de tecnologia compatível com suas linhas de produção de heterojunção existentes. “O foco está na superação dos principais gargalos técnicos de produção em massa no design de células em tandem, formação de filme conformado de superfície texturizada, passivação de interface, metalização de baixa temperatura e encapsulamento de módulos”, disse. A empresa também informou que planeja uma linha piloto em tandem em escala de megawatts a ser construída este ano.
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