Uma equipe de pesquisa do fabricante chinês de módulos JA Solar fabricou uma célula solar de perrovskita invertida baseada em um sal orgânico de amônio multifuncional que, segundo relatos, reduz a recombinação não radiativa e melhora o transporte de portadores na interface entre o absorvedor de perovskita e a camada de transporte de elétrons (ETL).
“Nossa abordagem permite a passivação em dois locais das vagas de iodeto de chumbo (Pb/I), minimizando o obstáculo estérico e, assim, aumentando a eficiência da extração de transportadores”, disse o autor correspondente da pesquisa, Sun Yang, à pv magazine.
Células de perovskita invertida possuem uma estrutura de dispositivo conhecida como “p-i-n“, na qual o contato seletivo de lacunas i está na base da camada intrínseca de perovskita i, com a camada de transporte de elétrons n no topo. Células convencionais de perovskita de haleto têm a mesma estrutura, mas invertida – um layout “n-i-p“. Na arquitetura n-i-p, a célula solar é iluminada pelo lado da camada de transporte de elétrons (ETL); na estrutura p-i-n, ela é iluminada através da superfície da camada de transporte de buracos (HTL).
Para esse tipo de célula, o buckminsterfullereno otimizado (C60) é atualmente o material de melhor desempenho usado para ETL, embora sofra de agregação significativa na solução e precise ser calibrado quando combinado com o filme de perovskita. “Como é sabido, a interface perovskita/C60 sofre de recombinação substancial não radiativa, precipitando perdas significativas de energia que limitam significativamente a eficiência e durabilidade das células”, afirmou o grupo de pesquisa.
Imagem: JA Solar
Para esse fim, os cientistas usaram um sal orgânico multifuncional de amônio conhecido como 2-(4-(aminometil)fenil)etil-1-iodeto de amônio, ou PMEAI, como camada de passivação para melhorar a engenharia de interface na interface perovskita-C60.
A equipe construiu a célula com um substrato feito de óxido de estanho dopado com flúor (FTO), uma camada de transporte de buracos (HTL) feita com uma monocamada automontada conhecida como 4PADCB, um absorvedor de perovskita, a camada de passivação PMEAI, o ETL C60, uma camada tampão de bathocuproine (BCP) e um contato metálico prateado (Ag).
Testado sob condições padrão de iluminação, o dispositivo alcançou uma eficiência de conversão de potência de 26,7%, uma tensão em circuito aberto de 1,181 V, uma densidade de corrente de curto-circuito de 26,36 mA/cm² e um fator de preenchimento de 85,8%. Em contraste, dispositivos de controle construídos com outros tipos de camada de passivação alcançaram uma eficiência menor de 24,3%, uma tensão em circuito aberto de 1,156 V, uma densidade de corrente de curto-circuito de 26,05 mA/cm² e um fator de preenchimento de 80,4%.
A célula baseada em PMEAI também alcançou uma eficiência certificada de 25,84%, com o resultado sendo certificado pelo Centro Nacional de Metrologia e Testes da Indústria Fotovoltaica da China (NPVM). O dispositivo também atingiu uma eficiência de 24,5% quando ampliado para uma área ativa de 1 cm².
Por meio de análises adicionais, os cientistas descobriram que a PMEAI alinhada horizontalmente suprimiu tanto os defeitos de vacância Pb quanto I e induziu uma reversão do campo elétrico embutido na interface perovskita/C60, o que minimizou as perdas de recombinação interfacial.
“O campo elétrico interfacial, invertido pela PMEAI para apontar de C60 em direção à perovskita, acelera significativamente a extração de elétrons e suprime a recombinação, rompendo assim as limitações convencionais impostas pelas camadas de passivação tanto na densidade de corrente quanto no fator de preenchimento”, disse Yang.
Também foi constatado que a célula mantinha 97% de sua eficiência inicial após 1.500 horas a 65 °C.
O dispositivo foi descrito em “Interface Molecular Orientation Engineering Induced Field Reversal for Efficient Inverted Perovskite Solar Cells“, publicado na Energy & Environmental Science.
“No geral, este trabalho estabelece um paradigma para o design de materiais interfaciais que integra sinergicamente baixa obstrução estérica, passivação de defeitos e degradação suprimida por migração iônica para avançar fotovoltaicos de perovskita de alto desempenho”, concluiu o grupo de pesquisa.
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