Semicondutores processados ​​por solução, incluindo materiais como perovskitas e pontos quânticos (ou seja, pequenas partículas de matéria no regime de tamanho quântico), são substâncias com uma condutividade variando entre a dos isolantes e a da maioria dos metais. Esse tipo de semicondutor tem se mostrado particularmente promissor para o desenvolvimento de novos dispositivos optoeletrônicos com bom desempenho e baixos custos de fabricação.

Recentemente, alguns estudos destacaram as vantagens de fabricar semicondutores pela combinação de pontos quânticos coloidais (CQDs), nanopartículas que podem coletar fótons infravermelhos, e cromóforos orgânicos, partes de uma molécula que absorvem fótons de luz visível e dão cor à molécula. Apesar disso, até aqui, fotovoltaico híbrido baseado em CQDs e cromóforos só alcançaram eficiências de conversão de energia (PCEs) abaixo de 10 por cento devido a uma incompatibilidade química entre os diferentes componentes e desafios para permitir a coleta de carga.

Pesquisadores da Universidade de Toronto e da KAIST na Coréia do Sul desenvolveram recentemente uma arquitetura híbrida que supera essas limitações, introduzindo pequenas moléculas em uma estrutura empilhada CQD / orgânica. As células solares híbridas que eles criaram, apresentado em um artigo publicado em Nature Energy , alcançou PCEs notáveis ​​que são retidos mesmo após longos períodos de operação contínua.

"O primeiro desafio deste estudo foi combinar as vantagens da ampla banda fotoabsorvente de CQDs e o forte (mas mais estreito) coeficiente de absorção de moléculas orgânicas para criar uma plataforma fotovoltaica de maior desempenho, "Se-Woong Baek, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse TechXplore.

Os pesquisadores se inspiraram em um estudo realizado por uma equipe de pesquisa do Laboratório Nacional de Berkeley quase duas décadas atrás, que demonstrou o potencial do uso de nanobastões semicondutores e polímeros para fabricar células solares híbridas. Enquanto a equipe do Berkeley Lab e vários outros tentaram combinar moléculas orgânicas com CQDs, Baek e seus colegas sentiram que isso era difícil de conseguir, já que os desempenhos dos dispositivos alcançados por suas arquiteturas híbridas eram inferiores aos dos semicondutores orgânicos típicos ou somente CQD. Assim, eles se propuseram a investigar o potencial de CQD / semicondutores orgânicos ainda mais, tentando superar as limitações de arquiteturas desenvolvidas anteriormente.

Para que as células solares funcionem bem, eles devem ser capazes de maximizar a absorção de luz e convertê-la de forma eficiente em corrente elétrica. As células solares híbridas desenvolvidas por Baek e seus colegas têm uma pequena ponte de molécula que complementa a absorção de CQD, que por sua vez cria uma cascata de excitador com o polímero hospedeiro. Isso resulta em uma transferência de energia mais eficiente do que a observada em outras arquiteturas híbridas.

"A estrutura que desenvolvemos pode alcançar alta eficiência de coleta de luz por meio de uma camada orgânica adicional, que tem um forte coeficiente de absorção em sua parte traseira e uma absorção de banda larga primária por CQD perto de sua parte frontal, "Baek explicou." A vantagem mais forte das células solares resultantes é que elas nos permitem programar a foto-resposta do CQD redimensionando e combinando-o com moléculas orgânicas adequadas. "

A estrutura única das células solares desenvolvida por Baek e seus colegas permite maiores graus de liberdade na programação de suas funções em comparação com outros tipos de células solares híbridas. Além disso, permite que as células solares mantenham uma boa eficiência por longos períodos de operação contínua.

"Muitos estudos anteriores relataram ampla e alta absorbância por meio de uma combinação de CQD e polímeros, mas seu desempenho era menos eficiente devido à baixa eficiência de extração de carga, "Baek disse." Ao introduzir o terceiro componente, uma pequena ponte de molécula, em heteroestrutura híbrida CQD / polímero, revelamos um mecanismo subjacente que facilita a extração de carga, bem como a absorção, melhorando assim os PCEs. "

No futuro, essas células solares podem ser usadas para fabricar painéis fotovoltaicos que usam pontos quânticos e cromóforos, mas que alcançam eficiências mais altas do que aquelas observadas em arquiteturas híbridas desenvolvidas anteriormente. Até aqui, a estrutura orgânica CQD que eles propuseram tem uma banda de absorção de até 1100 nanômetros. Em seus próximos estudos, eles gostariam, portanto, de adaptar a estrutura ou desenvolver arquiteturas híbridas alternativas para alcançar bandas de absorção mais amplas.

"Eventualmente, esta estrutura pode ser combinada com células solares de perovskita com gap realmente alto, por exemplo, projetando uma plataforma de célula traseira como uma estrutura em tandem que pode reforçar a absorção da banda infravermelha próxima, onde a perovskita não absorve, "Baek disse." Teoricamente, uma eficiência de 15 por cento pode ser adicionada à célula solar de perovskita quando combinamos nossa estrutura híbrida como uma célula traseira de estrutura tandem. "

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