Fotovoltaica: O ajuste fino molecular aumenta a eficiência das células solares em tandem
Investigadores da LMU atingem uma eficiência de 31,4 por cento em células tandem de perovskite-silício com design molecular direcionado
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As células solares em tandem de silício perovskite são consideradas uma tecnologia-chave para a energia fotovoltaica. A sua estrutura permite utilizar a luz solar de forma mais eficiente do que as células de silício convencionais: Enquanto a camada superior de perovskite absorve a parte azul de alta energia da luz, a camada subjacente de silício capta a gama vermelha. A interação entre os dois materiais permite uma produção de luz significativamente mais elevada.
Uma equipa de investigação internacional liderada pelo Dr. Erkan Aydin, chefe do grupo de investigação da LMU, avançou agora significativamente com esta abordagem. Na revista científica Joule, os investigadores apresentam a primeira célula em tandem de perovskite-silício inteiramente fabricada na região de Munique. Os parceiros de cooperação são a Southern University of Science and Technology (SUSTech) em Shenzhen, China, a City University of Hong Kong e a King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) na Arábia Saudita.
Uma nova abordagem à conceção molecular
O elemento central das células em tandem é a monocamada auto-montada (SAM). Esta camada molecular, que tem apenas alguns nanómetros de espessura, garante que as cargas eléctricas são transportadas eficazmente para as camadas de recolha de cargas. No entanto, as SAM convencionais com cadeias alquílicas simples tendem a agregar-se de forma irregular nas superfícies de silício em forma de pirâmide. Este facto limita o desempenho das células.
Para resolver este problema, os investigadores desenvolveram uma molécula especial. A sua estrutura especial melhora o transporte de cargas mesmo em superfícies rugosas, criando assim a base para uma interface estável.
Durante as análises, a equipa fez uma observação surpreendente: um precursor de SAM disponível no mercado continha pequenas quantidades de impurezas contendo bromo. Estas revelaram-se extremamente úteis, uma vez que neutralizam os defeitos na interface, aumentando assim a eficiência das células solares.
"O facto de uma alteração química tão pequena poder ter um efeito tão grande surpreendeu-nos", explica o gestor de projeto Aydin. "Esta descoberta mostra como é crucial a interação precisa dos materiais a nível molecular para o rendimento energético dos novos tipos de células solares."
Os investigadores combinaram moléculas bromadas e não bromadas para utilizar os efeitos positivos do bromo sem comprometer a estabilidade química. A sua estrutura SAM recentemente desenvolvida permite um empacotamento mais denso das moléculas e uma melhor passivação da interface - o que, por sua vez, resulta em eficiências mais elevadas, maior estabilidade e extração de carga mais eficiente.
31,4 por cento de eficiência
Graças a este controlo preciso e orientado a nível molecular, a equipa conseguiu uma eficiência celular de 31,4%. Isto faz da equipa um dos principais laboratórios do mundo no desenvolvimento de células tandem de silício perovskite de elevado desempenho. É particularmente digno de nota o facto de estes valores terem sido alcançados em células de fundo de silício cristalino industrialmente relevantes. Para além do aumento da eficiência, as células revelaram também uma maior estabilidade durante períodos de tempo mais longos. O empacotamento molecular mais denso das novas SAMs protege a interface sensível de danos a nível molecular.
"Como próximo passo, queremos mostrar que as nossas células em tandem não só provam o seu desempenho em laboratório, mas também em testes de envelhecimento acelerado que fornecem informações sobre o seu comportamento em condições ambientais reais", diz Aydin. "Ao mesmo tempo, estamos a investigar como a tecnologia pode ser adaptada para utilização em viagens espaciais - especialmente para satélites em órbitas terrestres baixas." O interesse por células solares particularmente leves, de elevado desempenho e resistentes à radiação está a crescer rapidamente nesta área em particular.
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Publicação original
Jian Huang, Letian Zhang, Cem Yilmaz, Geping Qu, Ido Zemer, Rik Hooijer, Siyuan Cai, Ali Buyruk, Hao Zhu, Meriem Bouraoui, Achim Hartschuh, Ryota Mishima, Kenji Yamamoto, Caner Deger, Ilhan Yavuz, Alex K.-Y. Jen, Esma Ugur, Stefaan De Wolf, Igal Levine, Zong-Xiang Xu, Erkan Aydin; "Enhanced charge extraction in textured perovskite-silicon tandem solar cells via molecular contact functionalization"; Joule
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