Células solares com eficiências acima de 20% e produzidas a baixo custo - as perovskitas tornam isso possível. Agora, pesquisadores do Karlsruhe Institute of Technology (KIT) obtiveram uma visão fundamental sobre a função das células solares de perovskita. Eles descobriram que estados vinculados de pares de elétron-buraco podem se formar durante a absorção de luz. Ainda, esses pares podem ser separados facilmente para que a corrente flua. Além disso, eles aumentam a absorção. O trabalho dos cientistas é relatado no jornal Cartas de Física Aplicada .

As perovskitas estão entre os materiais mais promissores para células solares:ao usá-las, a alta eficiência pode ser combinada com produção de baixo custo. A pesquisa fotovoltaica se concentra em perovskitas halogenadas que contêm compostos orgânicos e inorgânicos e, portanto, são considerados semicondutores híbridos. "Em menos de uma década, essas perovskitas tiveram um desenvolvimento notável. Enquanto isso, células solares de perovskita convertem mais de 20% da luz incidente diretamente em corrente utilizável, "diz o especialista em energia fotovoltaica Dr. Michael Hetterich do KIT, que coordena a colaboração entre o KIT e o Centro de Energia Solar e Pesquisa de Hidrogênio Baden-Württemberg (ZSW). O vasto potencial das perovskitas também é óbvio a partir de células solares em tandem que combinam uma célula superior de perovskita semitransparente com uma célula inferior de silício ou cobre-índio-disseleneto de gálio (CIGS). Isso permite um uso ideal do espectro solar.

Os desafios atuais da pesquisa consistem em aumentar a estabilidade a longo prazo das células solares de perovskita e substituir o chumbo que contêm por elementos ambientalmente mais compatíveis. Isso requer um conhecimento profundo da estrutura e função das camadas de perovskita. Pesquisadores do Instituto de Física Aplicada e do Instituto de Tecnologia de Luz do KIT, bem como do ZSW e Ludwig-Maximilians-Universität München estudam a função de células solares tandem de camada fina baseadas em perovskitas sob o CISOVSKIT (desenvolvimento de células solares híbridas altamente eficientes de materiais CIGS e perovskita), projeto financiado pelo Ministério Federal de Educação e Pesquisa (BMBF). E eles obtiveram novas descobertas relacionadas à natureza física das transições ópticas. Isso é relatado em um "Artigo em destaque" de Cartas de Física Aplicada .

As transições ópticas são mudanças no estado de energia dos elétrons em um material por emissão (liberação) ou absorção (absorção) de fótons, isto é, partículas leves. Em sua tese de doutorado, Fabian Ruf, que trabalha no grupo do professor Heinz Kalt, KIT, aponta que a transição óptica fundamental em células solares com um absorvedor de iodeto de chumbo de metil amônio, a perovskita halogeneto clássico, é de natureza excitônica. Isso significa que excitons podem se formar nas células solares após a absorção de partículas de luz. Excitons são pares de elétron-buraco que determinam amplamente as propriedades optoeletrônicas. A energia de ligação dos excitons deve ser superada para obter portadores de carga gratuita e fazer a corrente fluir.

Por meio de espectroscopia de eletroabsorção dependente da temperatura, Fabian Ruf estudou células solares semitransparentes com absorvedores de iodeto de chumbo e metil amônio produzidos por Moritz Schultes de ZSW por um método de química úmida. Os resultados permitem tirar conclusões com respeito às transições excitônicas ao longo de toda a faixa de temperatura estudada, de 10 Kelvin (-263 ° C) à temperatura ambiente. Dependendo da estrutura de cristal da perovskita que muda com a mudança de temperatura, a energia de ligação do exciton atinge cerca de 26 e 19 milieletronvolts, respectivamente. "Portanto, a energia de ligação é pequena o suficiente para garantir separação térmica suficiente de portadores de carga em temperatura ambiente, "Michael Hetterich explica." Além disso, os efeitos excitônicos aumentam a absorção. Os dois efeitos juntos permitem a operação eficiente da célula solar de perovskita. "