O desenvolvimento de eletrodos metálicos estáveis ​​e de baixo custo é crucial para a produção em massa de células solares de perovskita (PSCs). Como um elemento abundante em terra, o Cu torna-se um candidato alternativo para substituir eletrodos de metais nobres, como Au e Ag, devido às suas propriedades físico-químicas comparáveis, com boa estabilidade e baixo custo. No entanto, o alinhamento de banda indesejável associado à arquitetura do dispositivo impede a exploração de PSCs n-i-p eficientes baseados em Cu. Para resolver esse problema, pesquisadores na China investigaram a diferença de nível de energia em diferentes interfaces e ofereceram um caminho potencial para alcançar PSCs n-i-p mais eficientes com um eletrodo de Cu.
Eles publicaram seu trabalho em 8 de julho na revista Energy Material Advances .

"O desenvolvimento de PSCs econômicos e de alto desempenho é imperativo", disse o autor do artigo Huanping Zhou, professor da Escola de Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade de Pequim (PKU). "Atualmente, o eletrodo de Cu tem atraído muita atenção devido ao seu baixo custo e boa estabilidade, mas é limitado no desempenho para PSCs de estrutura n-i-p."

Zhou explicou que o eletrodo de Cu tem várias vantagens significativas como alternativa ao Au ou Ag, principalmente como eletrodo traseiro, responsável pelo transporte do transportador no dispositivo.

"Cu é o elemento abundante em terra e custa menos de 1/80 do Ag e 1/5500 do Au", disse Zhou. "Cu é o candidato promissor a ser eletrodo PSC por suas propriedades físicas comparáveis ​​(ou seja, condutividade) com Au e Ag, e boa estabilidade."

Mas PSCs n-i-p baseados em Cu não podem exibir alto desempenho fotovoltaico. De acordo com Zhou, o maior obstáculo é que o nível de Fermi da camada de transporte de buracos (HTL, como Spiro-OMeTAD, –4,19 eV) é bastante diferente com a função trabalho do Cu (–4,7 eV), o que leva a uma grande barreira Schottky na interface HTL/Cu. Este fenômeno não existe em PSCs p-i-n, porque o nível de Fermi de C₆₀ comumente usado (camada de transporte de elétrons) é de cerca de -4,5 eV, que é semelhante à função trabalho do Cu. É por isso que os PSCs p-i-n baseados em Cu podem exibir alto desempenho optoeletrônico, enquanto os PSCs n-i-p baseados em Cu não podem.

Para resolver esse problema, Zhou e sua equipe ajustaram sistematicamente o nível de Fermi de HTLs para corresponder à função de trabalho do eletrodo de Cu, de modo que a diferença de energia na interface HTL/Cu possa ser reduzida para melhor transporte do transportador. No entanto, a diferença de energia entre a perovskita (nível de Fermi é –4,08 eV) e o eletrodo de Cu é constante, então a menor diferença de energia entre HTL e Cu significa maior diferença de energia entre perovskita e HTL, o que é deletério para a extração de carreadores. Como equilibrar a diferença de energia entre as interfaces perovskita/HTL e HTL/Cu está se tornando importante para o desempenho do PSC.

"Assim como o efeito balde, esperamos que as interfaces perovskita/HTL e HTL/Cu não sejam os baldes mais curtos durante a operação do dispositivo", disse Zhou. "Neste artigo, ajustamos cuidadosamente o nível de Fermi de HTLs para equilibrar a diferença de energia nas interfaces perovskita/HTL e HTL/Cu, adicionando diferentes quantidades de PTAA no Spiro-OMeTAD."

"Concluímos que a diferença de energia equilibrada entre as interfaces perovskita/HTL e HTL/Cu poderia melhorar significativamente a coleta de carga e as propriedades de transporte nos dispositivos n-i-p PSC resultantes", disse Zhou.

Os pesquisadores testaram o desempenho optoeletrônico de PSCs n-i-p com base no eletrodo de Cu e em diferentes HTLs. Através dos parâmetros fotovoltaicos, disse Zhou, uma menor diferença de energia entre HTL e Cu pode levar a uma maior densidade de corrente de curto-circuito (Jsc), enquanto uma menor diferença de energia entre perovskita e HTL pode levar a uma maior tensão de circuito aberto (Voc). Finalmente, a diferença de energia equilibrada entre as interfaces perovskita/HTL e HTL/Cu pode levar a Jsc e Voc moderados, especialmente fator de preenchimento (FF) mais alto, o que acabou contribuindo para a melhoria da eficiência de conversão de energia (PCE).

"O PSC n-i-p de melhor desempenho com o eletrodo de Cu alcançou um PCE de 20,10% com Voc de 1,084 V e FF de 78,77%", disse Zhou. "Os dispositivos também exibiram boa estabilidade, que pode permanecer em 92% de seu PCE inicial após 1000 h de armazenamento. Essa descoberta não apenas amplia o entendimento sobre o alinhamento de banda da camada funcional de semicondutores vizinhos na arquitetura do dispositivo para melhorar o desempenho resultante, mas também também sugere grande potencial do eletrodo de Cu para aplicação na comunidade de PSCs." + Explorar mais

Efeito do solvente na formação do filme e no desempenho do dispositivo para células solares de perovskita 2D Dion-Jacobson