Melhorias nas perovskitas evaporadas em células solares em tandem
O BESSY II revela como se formam as camadas
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As células solares em tandem de perovskita-silício atingem eficiências significativamente superiores às das células solares de silício isoladas. Um método particularmente interessante é a coevaporação das moléculas precursoras da perovskita sobre a subcélula de silício. Cientistas do HZB analisaram o crescimento do filme à escala nanométrica no BESSY II e descobriram uma nova forma de melhorar a qualidade da camada de perovskita: a adição de uma fina camada semente de cloreto de césio entre as duas subcélulas promove o crescimento uniforme da perovskita e inibe a formação de iodeto de chumbo indesejado na interface.
As células solares em tandem monolíticas de perovskita-silício caracterizam-se por uma fina camada de perovskita, que pode ser produzida através da chamada coevaporação de compostos precursores, um processo industrial bem estabelecido. Como camada de transporte de buracos para a perovskita, são utilizadas as chamadas SAM, moléculas orgânicas que se auto-organizam numa monocamada. No entanto, tanto a SAM como a camada de perovskita devem formar-se da forma mais uniforme possível na superfície de silício. No entanto, uma vez que as SAM não constituem uma monocamada perfeita e, além disso, a superfície de silício possui uma nanoestrutura destinada a melhorar a absorção de luz, tal processo revela-se bastante complexo.
No HZB, uma equipa investigou agora exaustivamente este problema utilizando vários métodos, todos disponíveis no HZB, e desenvolveu uma solução que também é de interesse para a produção industrial.
O BESSY II revela como as camadas se formam
Utilizando um microscópio de sonda de varredura de campo próximo (IR-s-SNOM) na gama do infravermelho no BESSY II, identificaram áreas de espessura variável dentro da camada de SAM, que vão desde monocamadas até várias camadas e até aglomerações destas moléculas. Conseguiram também analisar com maior detalhe como as camadas de SAM se formam em substratos de silício planos e texturados, relevantes do ponto de vista industrial. Isto revelou que as moléculas de SAM se acumulam nos vales da textura, resultando numa camada de espessura irregular.
Com a microscopia eletrónica de fotoemissão de raios X (XPEEM) no BESSY II, os cientistas puderam investigar o crescimento da perovskita coevaporada em diferentes áreas do substrato de silício revestido com SAM. Os seus resultados mostram que a camada de perovskita não conseguiu compensar as heterogeneidades subjacentes e que se formou iodeto de chumbo indesejado na interface com o silício.
Uma camada de semente ajuda
No entanto, a equipa implementou e analisou uma solução avançada: uma camada de cloreto de césio (CsCl) na interface, que atua como camada de semente. «Isto permite o crescimento uniforme de camadas de perovskita coevaporadas sobre silício texturado e impede a formação de defeitos de interface causados pela cobertura irregular da camada de transporte de lacunas», afirma o Dr. Viktor Škorjanc, primeiro autor do artigo. Consequentemente, a qualidade da camada é significativamente melhorada. Isto aumenta a eficiência das células solares em tandem de perovskita-silício preparadas por Stefanie Severin para 30,3 por cento, o que constitui um valor excecional para perovskitas obtidas por evaporação.
O novo processo a vácuo não requer solventes e poderá, por isso, melhorar a estabilidade das células em tandem, o que tem sido, até agora, um grande obstáculo no caminho para a comercialização «Isto representa um verdadeiro passo em frente na transposição de eficiências recorde do laboratório para tecnologias solares em tandem fiáveis e passíveis de fabrico industrial», afirma o Dr. Marcel Roß, chefe da equipa de células solares de perovskita evaporadas no HZB.
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