Cientistas da NUST MISIS (Rússia) e da Universidade de Roma Tor Vergata descobriram que uma quantidade microscópica de carboneto de titânio bidimensional chamado MXene melhora significativamente a coleta de cargas elétricas em uma célula solar de perovskita, aumentando a eficiência final acima de 20%. Os resultados da pesquisa foram publicados em Materiais da Natureza .

As células solares de película fina de perovskita são uma nova tecnologia promissora de fontes alternativas de energia que está sendo ativamente desenvolvida em todo o mundo. Uma das vantagens é um processo de produção simples e de baixo custo:as células solares de perovskita podem ser impressas a partir da solução em impressoras a jato de tinta ou slot die especiais sem o uso de processos de alta temperatura / vácuo como para as células de silício tradicionais. Outra vantagem é a possibilidade de fabricação em substratos plásticos flexíveis, como o tereftalato de polietileno comum (PET). Esse recurso permite o uso de energia fotovoltaica de perovskita (PV) na integração de edifícios por meio da montagem de um filme fino nas paredes e / ou em outros locais diferentes - como janelas e fachadas curvas de vidro.

Sendo uma nova tecnologia PV, o esforço da pesquisa internacional é encontrar a melhor estratégia para melhorar a eficiência e a estabilidade das células solares de perovskita. A eficiência das células solares de perovskita já é comparável aos análogos de silício que estão dominando o mercado (a eficiência recorde para uma perovskita é de 25,2%, enquanto para células de silício é de 26,7%), Contudo, as células solares de perovskita ainda são instáveis ​​devido a vários fatores de degradação interna. Muitos grupos de pesquisa de universidades e empresas de P&D estão atualmente forçando investigações e estudos para resolver problemas de estabilidade e melhoria da eficiência das células de perovskita. A maioria das abordagens diz respeito à otimização da composição química da perovskita, estabilização das interfaces dos dispositivos e incorporação de novos nanomateriais.

Uma equipe internacional de cientistas de L.A.S.E. (Laboratório de Energia Solar Avançada), Departamento de Nanosistemas Funcionais e Materiais de Alta Temperatura, ambos localizados em NUST MISIS, Rússia, e a Universidade Tor Vergata de Roma, liderado pelo Professor Aldo Di Carlo, propôs uma abordagem original para projetar células solares de perovskita com desempenho aprimorado, a saber, o uso de compostos bidimensionais de carboneto de titânio chamados MXenes para dopar a perovskita.

"Descobrimos que MXenes, devido à sua estrutura bidimensional única, pode ser usado para ajustar as propriedades da superfície da perovskita, permitindo uma nova estratégia de otimização para esta célula solar de terceira geração, "O professor Di Carlo comenta.

As células solares de perovskita de filme fino têm uma estrutura em sanduíche, onde as cargas estão se movendo de uma camada para outra através de interfaces e se coletando seletivamente nos eletrodos. Como resultado, a energia solar é convertida em corrente elétrica. Em termos simples, elétrons devem ser transportados do filme absorvente para os eletrodos sem perdas que podem ser induzidas por barreiras internas de energia, e a incorporação do MXene melhora esse processo.

"Para aumentar a eficiência das células solares de perovskita, precisamos otimizar a estrutura do dispositivo e a interface mestre e as propriedades em massa de cada camada para melhorar o processo de extração de carga para os eletrodos, "Danila Saranin, um dos autores, pesquisador do L.AS.E. comentários. “Para resolver este problema, junto com nossos colegas italianos, realizamos uma série de experimentos incorporando uma quantidade microscópica de MXenes na célula solar de perovskita. Como resultado, alcançamos um aumento da eficiência dos dispositivos em mais de 25%, em comparação com os protótipos originais. "

MXenes foram introduzidos sequencialmente em diferentes camadas da célula solar de perovskita:uma camada fotoabsorvente, uma camada de transporte de elétrons com base em dióxido de titânio, e na interface entre eles. Após a análise do desempenho de saída dos dispositivos, descobrimos que a configuração mais eficiente é aquela em que MXenes são apresentados a todas as camadas, incluindo a interface. Os resultados experimentais são confirmados por modelagem adequada das estruturas obtidas.

Este trabalho é único:é o primeiro relatório que descreve não apenas uma série de experimentos e os resultados obtidos, mas também inclui uma explicação clara dos mecanismos que ocorrem na célula solar de perovskita modificada do ponto de vista físico-químico.

“O principal resultado deste trabalho é a identificação de alterações nas propriedades elétricas de semicondutores, causado pela introdução de MXenes. Portanto, este novo nanomaterial possui grande potencial para uso na produção em larga escala, "Anna Pazniak, um dos autores, acrescenta.

Atualmente, a equipe está tentando estabilizar o dispositivo resultante e aumentar sua eficiência. O estudo foi financiado pelo Megagrant do Governo da Federação Russa.