Os portadores de carga livre em células solares de perovskita provavelmente têm uma forma especial de proteção contra recombinação, descobriram pesquisadores do Forschungszentrum Jülich por meio de medições inovadoras de fotoluminescência.



Altamente eficientes e relativamente baratas de produzir, as células solares de perovskita têm sido objeto de repetidas surpresas nos últimos anos. Cientistas do Forschungszentrum Jülich descobriram agora outra característica especial das células usando uma nova técnica de medição de fotoluminescência.

Eles descobriram que a perda de portadores de carga neste tipo de célula segue leis físicas diferentes daquelas conhecidas para a maioria dos semicondutores. Esta pode ser uma das principais razões para o seu elevado nível de eficiência. Os resultados foram publicados na revista Nature Materials .

As células solares de perovskita são consideradas altamente promissoras para a energia fotovoltaica, mesmo que a sua estabilidade deixe muito a desejar. Células desse tipo são baratas para imprimir e muito eficientes. Na última década, a sua eficiência duplicou para mais de 25% e, portanto, está atualmente no mesmo nível das células solares convencionais feitas de silício. Outras melhorias também parecem ser possíveis no futuro.

"Um factor importante aqui é a questão de quanto tempo os portadores de carga excitados permanecem no material, por outras palavras, o seu tempo de vida," explica Thomas Kirchartz. "Compreender os processos é crucial para melhorar ainda mais a eficiência das células solares baseadas em perovskita." O engenheiro elétrico é chefe de um grupo de trabalho sobre células solares orgânicas e híbridas no Instituto de Pesquisa Energética e Climática de Forschungszentrum Jülich (IEK-5).

É a vida útil que conta

Numa célula solar, os elétrons são desalojados pelos fótons e elevados a um nível de energia mais elevado, da banda de valência para a banda de condução. Só então eles poderão se mover mais livremente e fluir através de um circuito externo. Eles só poderão contribuir para a geração de energia elétrica se sua vida útil for longa o suficiente para que passem pelo material absorvedor até o contato elétrico. Um elétron excitado também deixa um buraco na banda de valência subjacente – uma vaga móvel que pode ser movida através do material como um portador de carga positiva.

São principalmente os defeitos na rede cristalina que garantem que os elétrons excitados voltem rapidamente para níveis de energia mais baixos. Os elétrons afetados não serão mais capazes de contribuir para o fluxo de corrente. “Esse mecanismo também é conhecido como recombinação e é o principal processo de perda de toda célula solar”, diz Kirchartz.

Recombinação crucial para eficiência

Nenhuma célula solar é perfeita em nível atômico; cada um apresenta diferentes tipos de defeitos devido ao processo de fabricação. Esses defeitos ou átomos estranhos na estrutura da rede são os pontos de coleta onde elétrons e lacunas tendem a se unir. Os elétrons então voltam para a banda de valência e tornam-se inúteis em termos de geração de eletricidade.

"Anteriormente, presumia-se que a recombinação era predominantemente desencadeada por defeitos que estão energeticamente localizados no meio entre as bandas de valência e de condução. Isto ocorre porque esses defeitos profundos são igualmente acessíveis aos elétrons excitados e às suas contrapartes, os buracos", diz Kirchartz. Na verdade, isso provavelmente é verdade para a maioria dos tipos de células solares.

Defeitos superficiais dominam

No entanto, Kirchartz e sua equipe refutaram agora esta suposição para células solares de perovskita e mostraram que os defeitos superficiais são, em última análise, decisivos em termos de sua eficiência final. Ao contrário dos defeitos profundos, eles não estão localizados no meio do band gap, mas muito próximos da banda de valência ou de condução.

“A causa deste comportamento incomum ainda não foi totalmente esclarecida”, acrescenta Kirchartz. "É razoável supor que defeitos profundos simplesmente não possam existir nestes materiais. Esta restrição também pode ser uma das razões para a eficiência particularmente elevada das células."

Nova técnica de medição HDR com faixa dinâmica estendida

A observação só foi possível graças a medições inovadoras de fotoluminescência transitória. Nas medições anteriores não foi possível distinguir os processos de perda causados ​​por defeitos superficiais daqueles causados ​​por outros fatores.

O novo método de medição desenvolvido por Thomas Kirchartz e sua equipe na Forschungszentrum Jülich fornece dados com uma faixa dinâmica significativamente maior em comparação com a tecnologia convencional, ou seja, dados em uma faixa de medição maior e com melhor gradação fina. O processo é baseado em um princípio semelhante ao das imagens HDR em alta qualidade de faixa dinâmica. A faixa dinâmica da câmera é aumentada pela sobreposição de diferentes imagens ou medições – neste caso, sinais com diferentes níveis de amplificação – para criar um conjunto de dados.

Mais informações: Ye Yuan et al, Defeitos superficiais e tempos de decaimento de fotoluminescência variáveis ​​de até 280 µs em perovskitas de cátion triplo, Nature Materials (2024). DOI:10.1038/s41563-023-01771-2
Informações do diário: Materiais Naturais

Fornecido por Forschungszentrum Juelich