O desempenho e a estabilidade da célula solar dependem da morfologia dos filmes finos, especialmente sua capacidade de cristalizar na chamada fase α fotoativa. As perovskitas contendo chumbo tendem a combinar vários haletos, como as formas aniônicas de bromo e iodo, com misturas de metilamônio, formamidinium, césio e outros cátions. Isso levou a eficiências de conversão e estabilidades térmicas recordes em comparação com seu haleto único, análogos de um único cátion. Contudo, estes haletos mistos, filmes de perovskita de cátions mistos foram caracterizados apenas por meio de técnicas de pós-deposição hex-situ. Isso limita a compreensão dos mecanismos que governam seu crescimento de seu precursor de sol-gel para seu estado sólido e bloqueia as tentativas de melhorar o desempenho e a estabilidade do dispositivo.

Agora, Stefaan De Wolf, seu pós-doutorado Kai Wang e colegas de trabalho investigaram o impacto dos cátions, haletos e anti-solvente gotejando em haletos mistos, filmes de perovskita de cátions mistos. A equipe acompanhou a evolução estrutural dos filmes durante o processo de deposição de revestimento por rotação usando uma técnica de espalhamento de raios X in situ. A técnica de raios-X sondou os filmes em escala atômica desde seu precursor sol-gel até o estado sólido e forneceu informações sobre a formação de intermediários cristalinos durante a solidificação. Os pesquisadores também incorporaram os filmes às células solares e avaliaram o desempenho e a estabilidade dos dispositivos resultantes.

"Nosso estudo fornece percepções críticas sobre a cristalização dos sistemas multicomponentes em direção às células solares de perovskita de alto desempenho, "Diz Wang. Mudanças nas composições do haleto e do cátion afetaram dramaticamente a solidificação dos precursores de perovskita durante o spin coating e a subsequente formação da fase α desejada após a adição do anti-solvente.

O período necessário para gerar filmes de alta qualidade por adição de anti-solvente terminou quando a estrutura sol-gel entrou em colapso para produzir subprodutos cristalinos dependendo da mistura precursora. Consequentemente, o ajuste da mistura de haleto-cátion poderia atrasar esse colapso, alargar a janela de gotejamento do anti-solvente de alguns segundos para vários minutos. Também, a incorporação simultânea de cátions de césio e rubídio na perovskita estimulou sinergicamente a formação da fase α. O comprimento desta janela mostrou pouco efeito no desempenho da célula solar resultante, desde que o anti-solvente fosse adicionado dentro deste período.

Essas descobertas sugerem novas direções para o desenvolvimento de formulações de perovskita que podem estabilizar ainda mais o estado de sol-gel e promover sua conversão para a fase desejável de perovskita. "Isso é fundamental para obter um melhor desempenho, reproduzível, fabricação econômica e escalonável de células solares de perovskita, "Wang diz.

A equipe está trabalhando na transferência desse conhecimento para outras tecnologias de deposição para avançar em direção às células solares de perovskita prontas para o mercado.