Uma célula solar de perovskita desenvolvida por engenheiros da Universidade da Califórnia em San Diego aproxima os pesquisadores de quebrar o teto da eficiência das células solares, sugere um estudo publicado em 10 de agosto na Nature .
A nova célula solar é um material de perovskita de baixa dimensão sem chumbo com uma estrutura de cristal superlattice – a primeira no campo. O que há de especial nesse material é que ele exibe uma dinâmica de portadora eficiente em três dimensões, e sua orientação do dispositivo pode ser perpendicular aos eletrodos. Materiais nesta classe particular de perovskitas até agora só exibiram tal dinâmica em duas dimensões – uma célula solar orientada perpendicularmente nunca foi relatada.

Graças à sua estrutura específica, este novo tipo de célula solar superlattice atinge uma eficiência de 12,36%, que é a mais alta relatada para células solares de perovskita de baixa dimensão sem chumbo (a eficiência do recordista anterior é de 8,82%). A nova célula solar também possui uma tensão de circuito aberto incomum de 0,967 V, que é superior ao limite teórico de 0,802 V. Ambos os resultados foram certificados de forma independente.

A tensão de circuito aberto é uma propriedade da célula solar que contribui para sua eficiência, então esta nova célula solar "pode ​​ter o potencial de quebrar o limite teórico de eficiência das células solares atuais", disse o autor sênior do estudo Sheng Xu, professor de nanoengenharia da a UC San Diego. “Isso pode um dia nos permitir alcançar maior eficiência com mais eletricidade de painéis solares existentes ou gerar a mesma quantidade de eletricidade de painéis solares menores a custos mais baixos”.

Os pesquisadores levantam a hipótese de que a tensão de circuito aberto melhorada do material pode ser atribuída a um novo mecanismo físico que eles chamam de relaxamento da portadora intrabanda. A estrutura de super-rede exclusiva do material permite que diferentes componentes da célula solar se integrem na direção vertical, o que cria uma estrutura de banda dupla em escala atômica. Sob luz, os elétrons excitados podem relaxar de um componente (região de bandgap menor) para outro componente (região de bandgap maior) antes de se equilibrar para alterar os níveis de fermi na célula solar superlattice. Isso contribui para uma tensão de circuito aberto mais alta. Verifica-se que este processo está relacionado com o potencial embutido na célula solar superlattice. Os pesquisadores também reconhecem que existem outros mecanismos possíveis que ocorrem na estrutura única da super-rede que podem estar contribuindo para sua tensão de circuito aberto incomumente alta.

Para criar a nova célula solar de perovskita de baixa dimensão sem chumbo, os pesquisadores usaram técnicas de epitaxia química para fabricar uma rede de cristal superrede. A estrutura da rede é única, pois consiste em poços quânticos de perovskita que são alinhados verticalmente e cruzados. Essa estrutura cruzada torna a dinâmica do portador do material - que inclui mobilidade de elétrons, vida útil e caminhos de condução em todas as três dimensões - mais eficiente do que apenas ter vários poços quânticos. Essas técnicas podem potencialmente ser usadas para criar super-redes de perovskita de diferentes composições.

"Esta super-rede de perovskita demonstra um desempenho de transporte de transporte sem precedentes com o qual muitos pesquisadores da área sonharam", disse Yusheng Lei, o principal autor deste artigo, que era Ph.D. estudante no laboratório de Xu na UC San Diego e agora é pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Stanford.

A super-rede consiste em uma separação de fases de nanoengenharia entre Bi ³⁺ regiões Sn-I ligadas e intactas em poços quânticos múltiplos alinhados verticalmente. Essa composição cria variações de componentes na escala atômica, o que, por sua vez, permite que os portadores quentes atravessem rapidamente a interface heteroestrutural de vários poços quânticos antes de relaxar – um feito que geralmente é impossível de alcançar, explicaram os pesquisadores. Aqui, é possível devido ao curto comprimento de difusão necessário para atravessar a interface heteroestrutural.

"Este trabalho abre um novo e excitante potencial para a classe de materiais de perovskita de baixa dimensão sem chumbo", disse Xu. No futuro, a equipe trabalhará na otimização e ampliação do processo de fabricação para fazer os cristais superlattice, que atualmente ainda é trabalhoso e desafiador. Xu espera envolver parceiros da indústria de células solares para padronizar o processo. + Explorar mais

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