Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Nanjing na China e da Universidade de Toronto no Canadá fabricou recentemente células solares em tandem de perovskita (PSCs), um tipo de célula solar com um componente estruturado perovskita chave. Essas novas células solares, apresentado em um artigo apresentado em Nature Energy , conseguiram uma eficiência notável, superando outras soluções existentes.

"A ideia inicial para este trabalho de pesquisa era fazer células solares em tandem totalmente perovskita, que poderiam ser mais eficientes do que células solares perovskita de junção única, "Hairen Tan, o pesquisador principal do estudo, disse TechXplore.

As perovskitas são um grupo de minerais que possuem a mesma estrutura cristalina da perovskita, um amarelo, mineral marrom ou preto consistindo principalmente de titanato de cálcio. Ao longo dos últimos anos, várias equipes de pesquisa em todo o mundo têm tentado desenvolver células solares usando este material, tipicamente utilizando bandgap largo (~ 1,8 eV) ou perovskitas estreito (~ 1,2 eV).

Fabricação de células solares em tandem totalmente perovskita, combinando assim perovskitas bandgap largo e estreito, poderia levar a uma maior eficiência de conversão de energia (PCEs) do que a obtida por células de junção única, sem aumentar os custos de fabricação. Para construir este novo tipo de célula solar, Contudo, os pesquisadores precisam encontrar uma maneira de melhorar o desempenho de cada subcélula, ao mesmo tempo que integra as células de bandgap largo e estreito de forma sinérgica.

"Infelizmente, As células solares de perovskita Pb-Sn de banda estreita mistas relatadas anteriormente exibiram baixas eficiências (PCE ~ 18-20 por cento) e baixas densidades de corrente de curto-circuito (J _sc ~ 28-30 mA / cm ² ), "Tan disse." Estes estão bem abaixo de seu potencial, e abaixo do desempenho das melhores células de perovskita de junção única baseadas em Pb. "

A principal razão para o fraco desempenho observado em células solares de perovskita com gap estreito desenvolvido anteriormente é que um de seus componentes principais, conhecido como Sn ²⁺ , prontamente oxida em Sn ⁴⁺ . Como resultado, o filme celular resultante exibe altas densidades de armadilha e curtos comprimentos de difusão de portadores. Em seu estudo, Tan e seus colegas queriam identificar soluções que pudessem ajudar a superar essa limitação.

"Nosso principal objetivo neste trabalho é iniciar uma estratégia para ampliar a difusão de células solares de perovskita de banda estreita e, assim, alcançar células solares em tandem com melhor desempenho, "Tan disse." Vagas de Sn são normalmente causadas pela incorporação de Sn ⁴⁺ (um produto de Sn ²⁺ oxidação) nas perovskitas Pb-Sn mistas. Consideramos que uma nova estratégia para prevenir a oxidação do Sn ²⁺ na solução precursora pode melhorar drasticamente o comprimento de difusão do portador de carga. "

Tan e seus colegas introduziram uma nova abordagem química que poderia melhorar o desempenho dos PSCs. Esta abordagem é baseada em uma reação de comproporcionamento que leva a avanços substanciais nos comprimentos de difusão do portador de carga de perovskitas de banda estreita Pb-Sn mistas.

As abordagens propostas anteriormente são todas caracterizadas por comprimentos de difusão submicrométricos, o que pode prejudicar a eficiência geral da célula. Em seu trabalho, por outro lado, Tan e seus colegas alcançaram um comprimento de difusão de 3 μm; um resultado notável que permite células Pb-Sn com quebra de recorde de desempenho e células tandem totalmente perovskita.

"Conseguimos isso desenvolvendo uma estratégia de solução de precursor com redução de estanho que retorna o Sn ⁴⁺ (um produto de oxidação de Sn ²⁺ ) de volta para Sn ²⁺ por meio de uma reação de comproporção na solução precursora, "Tan explicou.

A oxidação de perovskitas contendo estanho tem sido um problema crucial para o desenvolvimento de células solares com um componente de perovskita, pois pode afetar negativamente seu desempenho e, assim, prejudicar sua aplicação em uma variedade de configurações. A nova abordagem química introduzida por Tan e seus colegas fornece uma rota alternativa para a fabricação de células solares em tandem usando perovskita de banda estreita contendo estanho, o que leva a células mais estáveis ​​e eficientes.

"Nosso trabalho também destaca que a qualidade eletrônica das perovskitas contendo estanho pode ser comparável à das perovskitas de haleto de chumbo, que demonstraram eficiência semelhante às células de silício cristalino, "Tan acrescentou." Não temos dúvidas de que nossa abordagem tandem finalmente nos oferecerá um caminho muito barato, ainda dispositivos solares altamente eficientes. "

Em seu estudo, Tan e seus colegas usaram sua abordagem química para fabricar células monolíticas em tandem totalmente perovskita e, em seguida, testaram seu desempenho. Eles descobriram que suas células em tandem obtiveram impressionantes PCEs certificados de forma independente de 24,8 por cento para dispositivos de área pequena (0,049 cm ² ) e 22,1 por cento para dispositivos de grande área (1,05 cm ² )

Além disso, as células retiveram 90 por cento de seu desempenho depois de operar por mais de 400 horas em seu ponto de potência máxima sob iluminação solar total. No futuro, a abordagem introduzida por esta equipe de pesquisadores pode informar o desenvolvimento de dispositivos movidos a energia solar mais eficientes e econômicos.

"Agora planejamos melhorar ainda mais a eficiência de conversão de energia de células solares em tandem totalmente perovskita além de 28 por cento, "Tan disse." A primeira maneira possível de conseguir isso será reduzir a perda de fotovoltagem na célula solar de perovskita de largo bandgap. Outra possibilidade é reduzir as perdas ópticas na junção de recombinação de tunelamento. "

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