A química de interfaces de precisão leva as células solares de perovskita a uma eficiência superior a 26%
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Uma colaboração internacional de investigação desenvolveu uma nova estratégia molecular para controlar uma das interfaces mais críticas nas células solares de perovskita. As células solares resultantes atingiram uma eficiência de conversão de energia de 26,19 % na arquitetura n i p, a par de uma forte estabilidade operacional sob iluminação prolongada e temperatura elevada. Os resultados foram publicados no Journal of the American Chemical Society.
O trabalho aborda um desafio persistente na energia fotovoltaica de perovskita: o iodeto de chumbo residual, PbI₂, que permanece na superfície da perovskita após a formação do filme. Embora quantidades moderadas de PbI₂ possam ser benéficas durante a cristalização, uma distribuição não homogénea na interface final pode criar variações locais no potencial superficial, promover o aprisionamento de cargas e aumentar a recombinação não radiativa. Agora, uma colaboração internacional, envolvendo a minha própria equipa, o Grupo de Engenharia de Materiais Optoeletrónicos Robotizados e Fotovoltaicos do Helmholtz Zentrum Berlin, e a equipa de investigação do Professor Letian Dou da Universidade de Purdue e da Universidade de Emory, desenvolveu uma nova abordagem para resolver este problema.
Concebemos uma nova classe de ligantes moleculares bidentados que interagem seletivamente com o PbI₂ residual através de dois locais de ancoragem. Ao contrário das moléculas convencionais que se ligam através de um único ponto de interação, as novas moléculas reestruturam o PbI₂ residual em estruturas de coordenação de PbI₆ mais estáveis e eletronicamente favoráveis, preservando simultaneamente o absorvedor de perovskita tridimensional subjacente. A molécula mais bem-sucedida, a MeXT, produziu um panorama eletrónico significativamente mais homogéneo em toda a superfície da perovskita. Isto reduziu a desordem interfacial e as perdas de tensão não radiativas, ao mesmo tempo que melhorou o transporte de portadores de carga fotogerados em direção à camada de transporte de buracos. O dispositivo de melhor desempenho atingiu uma eficiência de 26,19%, com uma tensão em circuito aberto de 1,198 V, um fator de preenchimento de 83,2% e uma densidade de corrente em curto-circuito de 26,28 mA cm⁻². O dispositivo também apresentou uma eficiência estabilizada de 25,65%. Sob stress combinado de luz e calor a 75 °C, os dispositivos tratados mantiveram mais de 80% da sua eficiência inicial após 1000 horas.
Perspetivas sobre o transporte de carga
Uma contribuição fundamental da minha equipa no HZB foi a aplicação de medições avançadas de fototensão superficial, transitórias e espacialmente resolvidas. Estas medições proporcionaram uma compreensão direta de como o tratamento molecular altera a separação e a extração de cargas na interface. O tratamento otimizado não se limitou a passivar os defeitos; alterou a própria seletividade de carga interfacial. Enquanto as superfícies insuficientemente tratadas apresentavam sinais de acumulação e retenção de eletrões, o tratamento bidentado otimizado suprimiu estas vias de retenção de eletrões e promoveu fortemente a acumulação e extração de buracos em direção à camada de transporte de buracos. As medições em pilhas completas de perovskita, ligante e camada de transporte de buracos revelaram uma resposta de fototensão positiva mais rápida e substancialmente mais forte para o melhor tratamento, em consonância com uma extração de buracos melhorada e uma recombinação interfacial reduzida.
A fototensão superficial permitiu-nos observar o que as medições convencionais de eficiência, por si só, não conseguem revelar. Conseguimos distinguir diretamente como diferentes tratamentos moleculares alteram a seletividade de carga, a atividade dos defeitos e a dinâmica de extração. Isto ajudou a identificar não só se um tratamento funciona, mas também por que razão funciona e onde se situa o ponto ótimo para o dispositivo completo.
O estudo demonstra a força da combinação entre o desenho molecular racional, a espectroscopia avançada, o mapeamento espacial, a modelação teórica e a engenharia completa do dispositivo. O desenho químico e o desenvolvimento fotovoltaico foram realizados em estreita colaboração com o grupo do Professor Letian Dou, com contribuições teóricas adicionais da equipa do Professor Brett M. Savoie. Em conjunto, estabelecemos um princípio de desenho mais abrangente para a criação de interfaces eletronicamente homogéneas através de coordenação química seletiva, em vez de tratamento de superfície não específico.
Este trabalho aponta também para a próxima fase da investigação fotovoltaica no HZB: a otimização autónoma de materiais e dispositivos. Nos próximos três meses, será instalada no HySPRINT uma nova linha totalmente robotizada para a preparação, caracterização e otimização de células solares. A plataforma combinará a fabricação automatizada de dispositivos com a caracterização optoeletrónica rápida e a otimização baseada em dados. O objetivo é acelerar a otimização experimental em cerca de dez vezes, ao mesmo tempo que se obtém uma compreensão física mais profunda das relações entre o processamento, as propriedades da interface e o desempenho final do dispositivo.
O próximo passo consiste em ligar este tipo de compreensão fundamental da interface diretamente à experimentação autónoma. Em vez de testar materiais através de longas campanhas de otimização sequenciais, pretendemos que os sistemas robóticos preparem os dispositivos, meçam os parâmetros físicos relevantes e utilizem os resultados para decidir qual a experiência que deve ser realizada a seguir. Com a minha equipa no HZB, estamos a preparar-nos para partilhar as primeiras fotografias e vídeos do novo laboratório robótico em setembro e outubro de 2026, marcando o início de uma nova fase na descoberta e otimização automatizadas de materiais fotovoltaicos e interfaces.
Autor: Dr. Artem Musiienko, chefe de grupo no HZB
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
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