Nova pesquisa mostra uma grande promessa para melhorar a eficiência da célula solar

A perovskita inorgânica se compara bem com suas contrapartes híbridas em termos de eficiência. Crédito: Ilustração de Xie Zhang

Uma nova pesquisa mostra uma grande promessa para células solares de perovskita inorgânica para melhorar a eficiência da célula solar.

A perovskita híbrida orgânica e inorgânica já demonstrou uma eficiência muito elevada em células fotovoltaicas de mais de 25%. A sabedoria predominante no campo é que as moléculas orgânicas (contendo carbono e hidrogênio) no material são essenciais para atingir esse desempenho incrível, porque acredita-se que elas evitem a recombinação de portadores auxiliada por defeitos.

Uma nova pesquisa no Departamento de Materiais da Universidade da Califórnia, Santa Bárbara, mostra não apenas que essa suposição está incorreta, mas também que todos os materiais inorgânicos têm o potencial de superar a perovskita híbrida. Os resultados foram publicados em um artigo intitulado “Perovskitas de haleto inorgânico como candidatas a células solares eficientes”, que aparece na capa da edição de 20 de outubro de 2021 da revista. Cell Reports Physical Sciences.

“Para comparar os materiais, realizamos simulações abrangentes dos mecanismos de recombinação”, explicou Xie Zhang, o investigador principal do estudo. “Quando a luz incide sobre o material da célula solar, os portadores fotogerados geram corrente; a recombinação em defeitos destrói alguns desses portadores e, portanto, reduz a eficiência. Assim, os defeitos agem como um assassino de eficiência.”

Para comparar a perovskita inorgânica e híbrida, os pesquisadores estudaram dois materiais de modelo primário. Ambas as substâncias contêm átomos de chumbo e iodo, mas em uma substância a estrutura cristalina é completada pelo elemento inorgânico césio, enquanto na outra há a molécula orgânica metilamônio.

Classificar experimentalmente esses processos é muito difícil, mas os cálculos modernos da mecânica quântica podem prever com precisão as taxas de recombinação, graças à nova metodologia desenvolvida no UCSB Materials Group Professor Chris Van de Waal, que credita Mark. Turiansky, um estudante de pós-graduação do grupo, ajuda a escrever o código para calcular as taxas de recombinação.

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“Nossos métodos são muito poderosos na identificação de defeitos que causam a perda da transportadora”, disse Turiansky. “É emocionante ver a abordagem aplicada a uma das questões críticas de nosso tempo, a geração eficiente de energia renovável.”

As simulações em execução mostraram que defeitos comuns em ambos os materiais resultam em níveis comparáveis ​​(e relativamente benignos) de recombinação. No entanto, a molécula orgânica pode se dissociar na perovskita híbrida; Quando ocorre a perda de átomos de hidrogênio, as “vagas” resultantes reduzem severamente a eficiência. Assim, a presença da molécula é prejudicial para a eficiência geral do material, não um ativo.

Por que, então, isso não é observado experimentalmente? Isso se deve principalmente à dificuldade de cultivar camadas de alta qualidade de materiais totalmente inorgânicos. Eles tendem a adotar outras estruturas cristalinas, e para realçar a formação da estrutura desejada requer um maior esforço experimental. Pesquisas recentes mostraram, no entanto, que alcançar a estrutura preferida é certamente possível. No entanto, a dificuldade explica porque a perovskita inorgânica não recebeu a mesma atenção até agora.

“Esperamos que nossas descobertas sobre as eficiências esperadas estimulem mais atividades direcionadas à produção de perovskita inorgânica”, concluiu van de Waale.

Referência: “Perovskita halogenada completamente inorgânica como candidatos para células solares eficientes” Por Xie Zhang, Mark E. Turiansky e Chris G. Van de Walle, 11 de outubro de 2021, disponível aqui. Cell Reports Physical Sciences.
DOI: 10.1016 / j.xcrp.2021.100604

Esta pesquisa foi financiada pelo Departamento de Energia, Escritório de Ciência, Escritório de Ciências Básicas de Energia; Os cálculos foram feitos no Centro de Computação Científica para Pesquisa Energética Nacional.

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