Uma nova técnica de impressão de solução de baixa temperatura permite a fabricação de células solares de perovskita de alta eficiência com grandes cristais destinados a minimizar os limites de grão que roubam a corrente. A técnica de impressão com solução assistida por menisco (MASP) aumenta a eficiência de conversão de energia em quase 20 por cento, controlando o tamanho e a orientação do cristal.

O processo, que usa placas paralelas para criar um menisco de tinta contendo os precursores de perovskita de haleto de metal, poderia ser ampliado para gerar rapidamente grandes áreas de filme cristalino denso em uma variedade de substratos, incluindo polímeros flexíveis. Os parâmetros operacionais para o processo de fabricação foram escolhidos usando um estudo cinético detalhado de cristais de perovskita observados ao longo de sua formação e ciclo de crescimento.

"Usamos uma técnica de impressão de solução assistida por menisco em baixa temperatura para fabricar filmes de perovskita de alta qualidade com desempenho optoeletrônico muito melhor, "disse Zhiqun Lin, professor da Escola de Ciência e Engenharia de Materiais do Instituto de Tecnologia da Geórgia. "Começamos desenvolvendo uma compreensão detalhada da cinética de crescimento do cristal que nos permitiu saber como os parâmetros preparativos deveriam ser ajustados para otimizar a fabricação dos filmes."

A nova técnica é relatada em 7 de julho na revista. Nature Communications . A pesquisa foi apoiada pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea (AFOSR) e pela National Science Foundation (NSF).

As perovskitas oferecem uma alternativa atraente aos materiais tradicionais para capturar eletricidade da luz, mas as técnicas de fabricação existentes normalmente produzem pequenos grãos cristalinos cujos limites podem prender os elétrons produzidos quando os fótons atingem os materiais. As técnicas de produção existentes para a preparação de filmes de perovskita de granulação grande normalmente requerem temperaturas mais altas, o que não é favorável para materiais poliméricos usados ​​como substratos - o que poderia ajudar a reduzir os custos de fabricação e permitir células solares de perovskita flexíveis.

Então Lin, O cientista pesquisador Ming He e seus colegas decidiram tentar uma nova abordagem que depende da ação capilar para desenhar a tinta perovskita em um menisco formado entre duas placas quase paralelas com aproximadamente 300 mícrons de distância. A placa inferior se move continuamente, permitindo que o solvente evapore na borda do menisco para formar perovskita cristalina. À medida que os cristais se formam, tinta fresca é puxada para o menisco usando o mesmo processo físico que forma um anel de café em uma superfície absorvente, como papel.

"Como a evaporação do solvente desencadeia o transporte de precursores de dentro para fora, Os precursores da perovskita se acumulam na borda do menisco e formam uma fase saturada, "Lin explicou." Esta fase saturada leva à nucleação e crescimento de cristais. Em uma grande área, vemos um filme plano e uniforme com alta cristalinidade e crescimento denso de grandes cristais. "

Para estabelecer a taxa ideal para mover as placas, a distância entre as placas e a temperatura aplicada à placa inferior, os pesquisadores estudaram o crescimento de cristais de perovskita durante o MASP. Usando filmes feitos por meio de um microscópio óptico para monitorar os grãos, eles descobriram que os cristais primeiro crescem a uma taxa quadrática, mas lento para uma taxa linear quando eles começaram a atacar seus vizinhos.

"Quando os cristais batem em seus vizinhos, que afeta seu crescimento, "observou He." Descobrimos que todos os grãos que estudamos seguiram uma dinâmica de crescimento semelhante e cresceram em um filme contínuo no substrato. "

O processo MASP gera cristais relativamente grandes - 20 a 80 mícrons de diâmetro - que cobrem a superfície do substrato. Ter uma estrutura densa com menos cristais minimiza as lacunas que podem interromper o fluxo de corrente, e reduz o número de limites que podem prender elétrons e lacunas e permitir que eles se recombinem.

Usando filmes produzidos com o processo MASP, os pesquisadores construíram células solares com eficiências de conversão de energia em média 18 por cento - algumas chegando a 20 por cento. As células foram testadas com mais de 100 horas de operação sem encapsulamento. “A estabilidade do nosso filme MASP é melhorada por causa da alta qualidade dos cristais, "Lin disse.

A lâmina raspadora é uma das técnicas convencionais de fabricação de perovskita em que temperaturas mais altas são usadas para evaporar o solvente. Lin e seus colegas aqueceram seu substrato a apenas cerca de 60 graus Celsius, que seria potencialmente compatível com materiais de substrato de polímero.

Até aqui, os pesquisadores produziram amostras em escala centimétrica, mas eles acreditam que o processo pode ser ampliado e aplicado a substratos flexíveis, potencialmente facilitando o processamento contínuo rolo a rolo dos materiais de perovskita. Isso poderia ajudar a reduzir o custo de produção de células solares e outros dispositivos optoeletrônicos.

"A técnica de impressão de solução assistida por menisco teria vantagens para células solares flexíveis e outras aplicações que requerem um processo de fabricação contínua de baixa temperatura, "Lin acrescentou." Esperamos que o processo possa ser ampliado para produzir alto rendimento, filmes de perovskita em grande escala. "

Entre as próximas etapas estão a fabricação dos filmes em substratos de polímero, e avaliar outras propriedades exclusivas (por exemplo, térmico e piezotrônico) do material.