Pesquisadores da Universidade Tokai relatam em Nano Letras um estudo sistemático sobre os efeitos do uso de diferentes formas de óxido de titânio em células solares de perovskita planar no desempenho dos dispositivos.

Células solares perovskita, com uma eficiência máxima atual de conversão de energia de 23 por cento, são muito promissores para a produção de energia fotovoltaica por meio de dispositivos fáceis e baratos de fabricar. As células planas são compostas por uma camada feita de um material coletor de luz com uma estrutura que leva o nome de perovskita e que geralmente é um material híbrido orgânico-inorgânico. Nesta camada, a luz absorvida gera portadores de carga, elétron e lacunas, que são coletados, respectivamente, em uma camada de transporte de elétrons e em um material de transporte de buraco, qual sanduíche a camada de perovskita. Essas duas camadas, por sua vez, são cobertas com eletrodos, um dos quais é transparente para permitir a entrada de luz no dispositivo. Melhorar o desempenho de cada um desses elementos é importante para maximizar a eficiência da célula solar.

Md. Shahiduzzaman, Masao Isomura, Koji Tomita e colegas da Universidade Tokai focaram sua atenção em particular na camada de transporte de elétrons. O material de escolha para este componente é muitas vezes óxido de titânio, cuja estrutura eletrônica facilita a coleta de elétrons da camada de perovskita. O óxido de titânio tem vários polimorfos de cristal, incluindo anatase, brookite, e rutilo. Eles têm diferentes estruturas e propriedades e suas morfologias distintas influenciam a qualidade da camada de perovskita, assim, a escolha do polimorfo influencia o desempenho geral da célula solar, e entender essa influência é importante para otimizar a eficiência dos dispositivos. Nesse trabalho, os autores se concentraram nas formas anatásio e brookita do óxido de titânio. Anatase é barato, transparente e fácil de integrar na célula solar e, portanto, é uma escolha comum para a camada de transporte de elétrons, mas o brookite tem propriedades eletrônicas promissoras que podem levar a uma melhor eficiência da célula solar, e ainda não foi amplamente explorado.

Os autores usaram uma técnica de baixa temperatura e ambientalmente correta para preparar nanopartículas de brookita altamente condutoras e monocristalinas que eles usaram para produzir camadas de transporte de elétrons de anatase-brookita heterofase e brookita-anatase, bem como camadas baseadas em anatase e brookita monofásicas. Para comparar o desempenho das várias camadas de transporte de elétrons, os pesquisadores mediram sua morfologia, características ópticas e estruturais, avaliou a interface entre as camadas e a perovskita, e finalmente mediu o desempenho das células solares resultantes.

Eles descobriram que o uso de brookita monofásica resultou em uma eficiência energética de 14,92 por cento, o mais alto desempenho relatado até agora para este tipo de camada de transporte de elétrons. As camadas de heterofase resultaram em desempenhos de até 16,82 por cento para a fase anatase-brookita. Como os autores comentam, "o presente trabalho apresenta uma estratégia eficaz para desenvolver camadas de transporte de elétrons de junção heterofásica e manipular a banda de energia interfacial para melhorar ainda mais o desempenho das células solares de perovskita planar e permitir a fabricação limpa e ecologicamente correta de produção em massa de baixo custo. "

Células solares planas perovskita

De um lado da célula solar está o primeiro eletrodo, um óxido condutor transparente, normalmente óxido de estanho dopado com flúor (FTO) ou óxido de índio e estanho (ITO), seguido por uma camada de transporte de elétrons. No topo, está a camada de absorção de luz feita de material perovskita - um material com uma fórmula química ABX3, onde A e B indicam dois íons carregados positivamente, e X um íon carregado negativamente -, em seguida, um material de transporte de orifício e, finalmente, o segundo eletrodo, que geralmente é feito de ouro, prata ou carbono. A camada de transporte de elétrons nem sempre está presente, mas facilita o transporte de elétrons para o eletrodo e, portanto, geralmente melhora a eficiência e estabilidade do dispositivo.

Eficiência de conversão de energia e como ela é medida

A eficiência de conversão de energia é a fração da energia incidente do sol que é convertida em eletricidade. As condições sob as quais a eficiência é medida devem ser controladas com cuidado, porque a eficiência não depende apenas das propriedades da célula solar, mas também no espectro e intensidade da luz solar incidente e na temperatura. No laboratório, as células solares são testadas a 25 ° C levando em consideração o fato de que a luz solar é atenuada pela atmosfera antes de atingir a superfície da terra (tecnicamente, diz-se que um coeficiente de massa de ar de 1,5, AM1.5, é usado).