Pesquisadores da University of Toronto Engineering e da King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) superaram um obstáculo importante na combinação da tecnologia emergente de colheita solar de perovskitas com o padrão ouro comercial - células solares de silício. O resultado é uma célula solar em tandem altamente eficiente e estável, um dos de melhor desempenho relatado até o momento.

"Hoje, as células solares de silício são mais eficientes e menos caras do que nunca, "diz o professor Ted Sargent, autor sênior em um novo artigo publicado hoje em Ciência . "Mas há limites para quão eficiente o silício pode ser por si só. Estamos focados em superar esses limites usando uma abordagem tandem (duas camadas)."

Como o silício, Os cristais de perovskita podem absorver energia solar para excitar elétrons que podem ser canalizados para um circuito. Mas, ao contrário do silício, as perovskitas podem ser misturadas com líquidos para criar uma 'tinta solar' que pode ser impressa nas superfícies.

A abordagem de fabricação baseada em tinta - conhecida como processamento de solução - já está bem estabelecida na indústria de impressão, e, portanto, tem o potencial de reduzir o custo de fabricação de células solares.

"Adicionar uma camada de cristais de perovskita em cima de silício texturizado para criar uma célula solar tandem é uma ótima maneira de melhorar seu desempenho, "diz Yi Hou, pós-doutorado e autor principal do novo artigo. "Mas o padrão atual da indústria é baseado em wafers - folhas finas de silício cristalino - que não foram projetados com essa abordagem em mente."

Embora possam parecer suaves, wafers de silício padrão usados ​​para células solares apresentam estruturas piramidais minúsculas com cerca de dois micrômetros de altura. A superfície irregular minimiza a quantidade de luz que reflete na superfície do silício e aumenta a eficiência geral, mas também torna difícil revestir uma camada uniforme de perovskitas no topo.

"A maioria das células tandem anteriores foram feitas polindo-se primeiro a superfície de silício para torná-la lisa, e, em seguida, adicionando a camada de perovskita, "diz Hou." Isso funciona, mas com custos adicionais. "

Hou e o resto da equipe - incluindo Sargent e o professor Stefaan De Wolf da KAUST - adotaram uma abordagem diferente. Eles aumentaram a espessura da camada de perovskita, tornando-o alto o suficiente para cobrir os picos e vales criados pelas estruturas piramidais.

A equipe descobriu que as perovskitas nos vales geraram um campo elétrico que separa os elétrons gerados na camada de perovskita daqueles gerados na camada de silício. Esse tipo de separação de carga é benéfico porque aumenta as chances de que cargas excitadas fluam para o circuito em vez de para outras partes da célula.

A equipe aprimorou ainda mais a separação de carga revestindo os cristais de perovskita em uma 'camada de passivação' feita de 1-butanotiol, um produto químico industrial comum.

As células solares em tandem alcançaram uma eficiência de 25,7 por cento, como certificado por um independente, laboratório externo, o Instituto Fraunhofer de Energia Solar em Freiburg, Alemanha. Esta é uma das maiores eficiências já relatadas para este tipo de projeto. Eles também eram estáveis, suportar temperaturas de até 85 graus Celsius por mais de 400 horas sem uma perda significativa de desempenho.

"O fato de que podemos fazer tudo isso sem modificar o silício o torna uma solução drop-in, "diz Hou." A indústria pode aplicar isso sem ter que fazer alterações caras em seus processos existentes. "

Hou e a equipe continuam trabalhando em melhorias no design, incluindo o aumento da estabilidade até 1, 000 horas, um benchmark da indústria.

"Estamos muito orgulhosos do desempenho recorde que esta colaboração foi capaz de alcançar, mas isso é só o começo, "diz Hou." Ao superar uma limitação importante nas células solares em tandem, preparamos o terreno para ganhos ainda maiores. "

"Nossa abordagem abre uma porta para a indústria fotovoltaica de silício explorar totalmente os grandes avanços que a tecnologia de perovskita fez até agora, "diz De Wolf." Isso pode trazer painéis fotovoltaicos com maior desempenho e baixo custo para o mercado. "