Pesquisadores do Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL), trabalhando em colaboração com suas contrapartes na República da Coréia, validaram o potencial do uso de uma combinação de perovskita e silício para criar células solares com mais de 30% de eficiência.

A célula solar inicial alcançou uma eficiência certificada de 26,2%.

"Este estudo fornece uma nova abordagem geral com avanços tecnológicos claros e percepções científicas para o avanço das tecnologias de perovskita, "disse Kai Zhu, um autor correspondente de um artigo recém-publicado na revista Ciência que descreve o trabalho. Zhu é um cientista sênior do Centro de Química e Nanociência do NREL.

Por si próprio, o componente perovskita registrou uma eficiência de 20,7%, o mais alto relatado na literatura para perovskitas de largo bandgap.

Os cientistas também observaram que testes acelerados mostraram que a célula de perovskita exibiu "excelente estabilidade de longo prazo", retendo mais de 80 por cento de sua eficiência inicial após 1, 000 horas de iluminação contínua.

O termo perovskita refere-se a uma estrutura cristalina. As células solares de perovskita são feitas por meio de uma combinação de elementos e surgiram como a tecnologia solar de mais rápido avanço.

A pesquisa aparece em um artigo recém-publicado na revista Ciência , "Eficiente, células estáveis ​​em tandem de silício habilitadas por perovskitas de amplo bandgap projetadas com ânions. "Além de Zhu, o artigo foi coautor de Bryon Larson, Sean Dunfield, Chuanxiao Xiao, Jinhui Tong, Fei Zhang, e Joseph Berry, todos do NREL; e um grupo de cientistas liderado por Byungha Shin (Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia), Dong Hoe Kim (Universidade Sejong), e Jin Young Kim (Universidade Nacional de Seul), da República da Coreia.

Zhu, Dong Hoe Kim, e Shin concebeu o projeto de pesquisa, que foi financiado em parte pelo Escritório de Tecnologias de Energia Solar do Departamento de Energia. Os pesquisadores disseram que a célula solar em tandem pode ultrapassar a eficiência de 30%, uma vez que um trabalho adicional seja feito para aperfeiçoar a camada de silício.

O dispositivo solar em tandem é feito de uma célula superior de perovskita e uma célula inferior de silício. Tanto a parte superior quanto a inferior captam segmentos separados do espectro solar através de um bandgap. Quanto maior o bandgap da célula perovskita superior, mais luz solar o dispositivo de silício inferior pode absorver. O bandgap para o silício é fixado em 1,1 elétron-volts (eV), mas o bandgap para perovskitas pode ser ajustado quimicamente, ou "sintonizado". O ideal é cerca de 1,7 eV, mas, para isso, é necessário substituir o iodo por bromo. Muito bromo, Contudo, pode tornar o perovskite instável.

Pesquisadores da área têm explorado o uso da chamada fase bidimensional (2-D), em que folhas de octaedros de haleto de chumbo separadas por moléculas de cadeia longa são adicionadas à perovskita para uso como um agente de passivação para reduzir a reatividade química. O uso de camadas de passivação tem se mostrado eficaz na melhora da estabilidade e desempenho das perovskitas.

Na engenharia da camada de passivação, os cientistas do NREL e seus colegas no exterior se concentraram na engenharia dos íons carregados negativamente - chamados de ânions - dos aditivos 2-D, em vez dos íons carregados positivamente (cátions) em que outros se concentraram. Ao introduzir tiocianato e misturá-lo com iodo, os pesquisadores conseguiram melhorar a estrutura e as propriedades optoeletrônicas da perovskita de banda larga (1,68 eV) e o desempenho do dispositivo. O uso de tiocianato permitiu aos pesquisadores aumentar a densidade de corrente do dispositivo, enquanto o iodo melhorou a voltagem.

Trabalhando com colegas da Universidade de Toronto, Xiao e Zhu desenvolveram um conjunto perovskita-silício com eficiência certificada de 25,7% e uma queda insignificante no desempenho após 400 horas. As descobertas foram relatadas no início deste mês em Ciência .

A pesquisa paralela no NREL focou em um conjunto perovskita-silício altamente estável. Também relatado no início deste mês em Ciência , o dispositivo foi feito usando uma combinação de iodo, bromo, e cloro. A eficiência certificada do dispositivo tandem estável foi de 25,8%.