Os células solares perovskitas convencionais (PSCs) são estruturadas com a camada de transporte de elétrons embaixo da camada absorvedora de luz de perovskita e a camada de transporte de buracos por cima. Embora essa disposição tenha proporcionado um desempenho laboratorial impressionante, enfrenta obstáculos quando escalada para a fabricação em larga escala e estabilidade a longo prazo.
As PSCs invertidas trocam as posições dessas duas camadas de transporte. Essa arquitetura reversa oferece um alto potencial de conversão de energia e funciona bem com métodos de processamento baseados em solução, adequados para a produção em grande escala, tornando-se uma proposta fotovoltaica atraente.
Apesar dessas vantagens, as PSCs invertidas têm sido limitadas por problemas na interface inferior, também conhecida como a interface enterrada, onde a camada de perovskita faz contato com a camada de transporte de buracos. Nesse junção oculta, irregularidades estruturais microscópicas e defeitos eletrônicos podem se formar, reduzindo tanto a eficiência quanto a durabilidade ao longo do tempo.
Pré-semeadura de Cristal-Solvato para Controle de Interface
Para solucionar esse problema, pesquisadores do Instituto de Bioenergia e Bioprocessos de Qingdao (QIBEBT) da Academia Chinesa de Ciências introduziram uma técnica de pré-semeadura de cristal-solvato (CSV) que permite controle preciso sobre essa interface crítica inferior. Sua abordagem apoia o desenvolvimento de módulos solares de perovskita de alta eficiência e grande área. Os achados foram publicados na Nature Synthesis em 27 de fevereiro.
O processo começa com a deposição de sementes de cristais haloidais bidimensionais especialmente projetadas com a fórmula química PDPbI4·DMSO em substratos modificados com monolayer auto-organizados (SAM). Esses nanocristais CSV servem como um guia estrutural para os cristais de perovskita que crescem posteriormente.
Os nanocristais CSV em forma de bastão melhoram a forma como o precursor de perovskita se espalha pela superfície geralmente repelente à água do SAM, permitindo uma cobertura mais uniforme. À medida que a cristalização avança, os nanocristais pré-depositados atuam como numerosos centros de nucleação, acelerando e direcionando a formação da camada de perovskita.
Aquecimento por Solvente Confinado na Rede Aumenta a Estabilidade
Um elemento chave da estratégia envolve as moléculas de dimetilsulfóxido (DMSO) incorporadas dentro da estrutura cristalina do CSV. Durante a recocção térmica, essas moléculas de DMSO são gradualmente liberadas, criando o que os pesquisadores chamam de ambiente de “aquecimento por solvente confinado na rede” na interface inferior.
Essa atmosfera de solvente localiza promove o rearranjo e crescimento dos grãos, trabalhando junto com o processo de cristalização semeada para produzir um filme mais uniforme e estável.
“Desenvolvemos uma abordagem integrada que aborda simultaneamente a regulação da cristalização e a estabilização da interface”, disse Dr. Xiuhong Sun, co-primeiro autor do estudo. “Essa estratégia proporciona um bom desempenho mesmo em interfaces enterradas, que são notoriamente desafiadoras de controlar com precisão.”
Módulos Solares de Grande Área e Alta Eficiência
Ao reduzir vazios interfaciais e alisar os sulcos de contorno dos grãos, o método cria uma região densa e altamente orientada dentro do filme de perovskita (a “camada inferior” de perovskita). Essa melhoria estrutural leva a propriedades eletrônicas aprimoradas e maior resistência ao estresse induzido por calor e luz.
Os pesquisadores também combinaram o método de pré-semeadura CSV com um processo de revestimento slot-die para fabricar um mini-módulo solar de perovskita com uma área de abertura de 49,91 cm2. O dispositivo alcançou uma eficiência de conversão de energia de 23,15%. A queda na eficiência de células laboratoriais pequenas para o mini-módulo maior foi de menos de 3% – um resultado que supera muitos estudos anteriormente relatados.
“Essa tecnologia supera o antigo gargalo de escalonamento causado pelos efeitos de tamanho através da combinação de cristalização induzida e restauração de interfaces enterradas”, disse Prof. Shuping Pang. “Além de sua aplicação direta em fotovoltaicos de perovskita, o conceito de pré-semeadura de cristal-solvato estabelece uma plataforma de material versátil: Ao ajustar cátions orgânicos e moléculas de solvente, uma biblioteca diversificada de materiais CSV pode ser projetada, abrindo um novo paradigma para a engenharia de interface em fotovoltaicos de perovskita e outros dispositivos optoeletrônicos de semicondutores de rede suave.”