Defeitos superficiais geram recombinação lenta e alta eficiência em células solares de perovskita – Physics World

A eficiência notavelmente alta das células solares feitas de materiais chamados perovskitas tem intrigado os cientistas há quase 20 anos. Agora, pesquisadores da Forschungszentrum Jülich (FZJ) na Alemanha dizem ter encontrado uma explicação. Ao estudar a fotoluminescência dos materiais numa ampla faixa dinâmica, eles mostraram que os portadores de carga livre (elétrons e buracos) nas células solares de perovskita se recombinam muito lentamente, aumentando a vida útil dos portadores e aumentando a eficiência das células. O seu trabalho também revelou que defeitos superficiais no material desempenham um papel importante na recombinação quando esta ocorre – conhecimento que poderia ajudar os cientistas a aumentar ainda mais a eficiência.

As células solares geram eletricidade quando os fótons da luz solar excitam os elétrons de uma banda de valência de energia mais baixa no material da célula para uma banda de condução de energia mais alta. Quando isso acontecer, tanto os elétrons quanto os buracos com carga positiva que eles deixam para trás podem se mover livremente, criando uma corrente elétrica. O problema é que os elétrons e buracos fotoinduzidos eventualmente se recombinam e, quando isso acontece, eles não contribuem mais para o fluxo de corrente. Este processo de recombinação é o principal fator de ineficiência nas células solares.

Um importante gatilho para a recombinação são os defeitos que surgem naturalmente nos materiais das células solares durante a fabricação. Os pesquisadores já haviam pensado que os principais culpados eram defeitos energeticamente localizados a meio caminho entre as bandas de valência e de condução. “Isso ocorre porque esses ‘defeitos profundos’ são igualmente acessíveis aos elétrons excitados e às suas contrapartes, os buracos”, explica Thomas Kirchartz, físico da FZJ que liderou o estudo.

As células solares de perovskita são diferentes

Kirchartz e colegas, no entanto, mostraram que este não é o caso das células solares feitas de perovskitas. Esses materiais possuem um ABX₃ estrutura química (onde A é césio e metilamônio (MA) ou formamidinio (FA), B é chumbo ou estanho e X é cloro, bromo ou iodo), e a equipe da FZJ mostrou que para eles, defeitos superficiais – ou seja, defeitos localizados não no meio do band gap, mas perto das bandas de valência ou condução – desempenham um papel mais importante na recombinação.

A equipe obteve esse resultado graças a uma nova técnica de fotoluminescência que pode medir uma faixa mais ampla de intensidades de luz com melhor resolução. Esta abordagem, possibilitada pela sobreposição de sinais amplificados em diferentes extensões, significa que eles podem distinguir processos de perda causados ​​por defeitos superficiais daqueles causados ​​por defeitos profundos – algo que não era possível em medições anteriores.

“No passado, presumia-se que defeitos profundos (mesmo que sua densidade fosse baixa) dominassem a recombinação porque o modelo do oscilador harmônico prevê isso”, explica Kirchartz. “No entanto, sabe-se que as perovskitas desobedecem a este modelo, o que significa que os eletrões podem acoplar-se a alguns estados energeticamente distantes.”

Ao realizar suas medições em escalas de tempo que variam de nanossegundos a 170 µs e em intensidades de luz que abrangem nove a 10 ordens de magnitude, os pesquisadores descobriram que o tempo de decaimento diferencial dos portadores de carga em suas amostras (Cs_0.05FA_0.73MA_0.22PbI_2.56Br_0.44 filmes de perovskita de triplo cátion) obedece a uma lei de potência. Esta é uma forte evidência de que a sua amostra tem muito poucos defeitos profundos e que os defeitos superficiais dominam a recombinação, dizem eles. “A presença de defeitos superficiais só tinha sido prevista teoricamente antes, mas dificilmente se presumia que seria tão importante neste contexto”, diz Kirchartz.

Células solares de perovskita alcançam novos marcos em termos de estabilidade e eficiência

Os pesquisadores esperam que seu trabalho mude a forma como a recombinação em filmes e dispositivos de perovskita é analisada. “Vemos nosso estudo como uma contribuição para a ideia de explicar como realizar determinadas medições para obter dados quantitativos que possam discriminar diferentes modelos”, diz Kirchartz. “Queremos nos afastar da pesquisa comparativa que diz: 'Minha nova amostra é melhor que as amostras anteriores, veja os experimentos A, B e C.' Em vez disso, queremos que a análise dos dados seja mais quantitativa.”

Olhando para o futuro, a equipa da FZJ gostaria agora de combinar a sua abordagem com outra recentemente descrito por colegas da Universidade de Cambridge, Reino Unido, que pode fornecer informações sobre transporte e recombinação de portadores de carga a partir de uma única medição. “Também queremos explorar como podemos obter uma única figura escalar de mérito para recombinação a partir de decaimentos aproximados da lei de potência (por exemplo, um número com uma unidade que se correlaciona bem com uma escala de 'bom para ruim')”, diz Kirchartz. Mundo da física. “Isso pode ser menos simples do que para decaimentos exponenciais, mas ainda assim deve ser possível.”

O estudo é publicado em Nature Materials.

• Conteúdo com tecnologia de SEO e distribuição de relações públicas. Seja amplificado hoje.
• PlatoData.Network Gerativa Vertical Ai. Capacite-se. Acesse aqui.
• PlatoAiStream. Inteligência Web3. Conhecimento Amplificado. Acesse aqui.
• PlatãoESG. Carbono Tecnologia Limpa, Energia, Ambiente, Solar, Gestão de resíduos. Acesse aqui.
• PlatoHealth. Inteligência em Biotecnologia e Ensaios Clínicos. Acesse aqui.
• Fonte: https://physicsworld.com/a/shallow-defects-drive-slow-recombination-high-efficiency-in-perovskite-solar-cells/