p Embora a eficiência de conversão de energia das células solares de perovskita (PVSCs) - um futuro das células solares - já tenha melhorado muito na última década, os problemas de instabilidade e potencial impacto ambiental ainda não foram superados. Recentemente, cientistas da City University of Hong Kong (CityU) desenvolveram um novo método que pode combater simultaneamente o vazamento de chumbo de PVSCs e o problema de estabilidade sem comprometer a eficiência, pavimentando o caminho para a aplicação na vida real da tecnologia fotovoltaica perovskita. p A equipe de pesquisa é co-liderada pelo professor Alex Jen Kwan-yue, Reitor da CityU e professor titular de Química e Ciência dos Materiais, junto com o professor Xu Zhengtao e o Dr. Zhu Zonglong do Departamento de Química. Os resultados de suas pesquisas foram publicados recentemente na revista científica Nature Nanotechnology , intitulado "Estrutura metal-orgânica 2-D para células solares de perovskita estáveis ​​com vazamento de chumbo minimizado."

p Atualmente, a maior eficiência de conversão de energia de PVSCs está no mesmo nível das células solares de silício de última geração. Contudo, as perovskitas usadas contêm componente de chumbo que levanta uma preocupação quanto a uma potencial contaminação ambiental. "À medida que a célula solar envelhece, as espécies de chumbo podem vazar pelos dispositivos, por exemplo. através da água da chuva no solo, representando uma ameaça de toxicidade ao meio ambiente, "explicou o professor Jen, que é um especialista em PVSCs." Para colocar PVSCs em usos comerciais em grande escala, requer não apenas alta eficiência de conversão de energia, mas também estabilidade de longo prazo do dispositivo e impacto ambiental minimizado. "

p Colaborando com o Professor Xu, cuja especialidade é a síntese de materiais, O professor Jen e o Dr. Zhu lideraram a equipe para superar os desafios acima, aplicando estruturas metal-orgânicas (MOFs) bidimensionais (2-D) a PVSCs. "Somos a primeira equipe a fabricar dispositivos PVSC com vazamento de chumbo minimizado, boa estabilidade de longo prazo e alta eficiência de conversão de energia simultaneamente, "O professor Jen resumiu o avanço de sua pesquisa.

p Camada MOF multifuncional

p Materiais de estrutura metal-orgânica (MOF) foram previamente aplicados como andaimes para modelar o crescimento de perovskitas. Os cientistas também os usaram como aditivos ou modificadores de superfície para passivar (para reduzir a reatividade da superfície do material) os defeitos das perovskitas para melhorar o desempenho e a estabilidade do dispositivo.

p Contudo, a maioria dos MOFs 3-D são bastante isolantes elétricos com baixa mobilidade do portador de carga, portanto, inadequado para ser usado como o material de transporte de carga.

p Mas os MOFs preparados pelo professor Xu são diferentes. Eles são como favo de mel, Estrutura 2-D equipada com vários grupos de tiol como funcionalidade principal. Eles possuem níveis de energia adequados, permitindo que eles sejam uma camada de extração de elétrons (também chamada de "camada de coleta de elétrons") onde os elétrons são finalmente coletados pelo eletrodo dos PVSCs. "Nossos MOFs de engenharia molecular possuem a propriedade de um semicondutor multifuncional, e pode ser usado para aumentar a eficiência de extração de carga, "explicou o professor Xu.

p Prender os íons de chumbo para evitar a contaminação

p Mais importante, as densas matrizes de grupos tiol e dissulfeto nos MOFs podem "capturar" íons de metais pesados ​​na interface perovskita-eletrodo para mitigar o vazamento de chumbo.

p "Nossos experimentos mostraram que o MOF usado como a camada externa do dispositivo PVSC capturou mais de 80% dos íons de chumbo vazados da perovskita degradada e formou complexos insolúveis em água que não contaminariam o solo, "O professor Jen explicou. Ao contrário dos métodos de encapsulamento físico usados ​​para reduzir o vazamento de chumbo em outros estudos, esta sorção química in-situ de chumbo pelo componente MOF integrado no dispositivo foi considerada mais eficaz e sustentável para aplicações práticas de longo prazo.

p Estabilidade operacional de longo prazo alcançada

p Além disso, este material MOF pode proteger perovskitas contra umidade e oxigênio, mantendo alta eficiência.

p A eficiência de conversão de energia de seu dispositivo PVSC modificado com MOF poderia chegar a 22,02% com um fator de preenchimento de 81,28% e tensão de circuito aberto de 1,20 V. Tanto a eficiência de conversão quanto a tensão de circuito aberto registradas estão entre os maiores valores relatados para o PVSCs planares invertidos. Ao mesmo tempo, o dispositivo exibiu estabilidade superior em um ambiente com umidade relativa de 75%, mantendo 90% de sua eficiência inicial após 1, 100 horas. Em contraste, a eficiência de conversão de energia do PVSC sem MOF caiu significativamente para menos de 50% de seu valor original.

p Também, seu dispositivo reteve 92% de sua eficiência inicial sob irradiação de luz contínua por 1, 000 horas a 85 ° C. “Tal nível de estabilidade já atendeu ao padrão de comercialização estabelecido pela International Electrotechnical Commission (IEC), "disse o Dr. Zhu.

p "Este é um resultado muito significativo que provou que nosso método MOF é tecnicamente viável e tem potencial para comercializar a tecnologia PVSC, "acrescentou a professora Jen.

p PVSCs altamente eficientes para aplicações de energia limpa

p A equipe levou quase dois anos para realizar essa pesquisa promissora. A próxima etapa será aumentar ainda mais a eficiência da conversão de energia e explorar as maneiras de reduzir o custo de produção.

p "Esperamos que, no futuro, a fabricação deste tipo de PVSCs seja como 'imprimir' jornais e ser facilmente ampliada na produção, facilitando a implantação em larga escala de PVSCs altamente eficientes para aplicações de energia limpa, "concluiu a professora Jen.