No dia 27 de abril, as equipes de Zheng Fei e Hu Ziyang, da Faculdade de Ciências Físicas e Tecnologia da Universidade de Ningbo, alcançaram um avanço crucial no estudo do mecanismo de perda de tensão fotovoltaica em células solares de perovskita bidimensional. A equipe estabeleceu um novo paradigma cognitivo para o transporte de portadores de carga internos em perovskitas bidimensionais, fornecendo um caminho técnico viável para eliminar direcionadamente a perda de tensão fotovoltaica e melhorar ainda mais o desempenho de dispositivos optoeletrônicos de perovskita bidimensional. Os resultados relevantes foram publicados recentemente na revista acadêmica internacional Nano Letters.

Na corrida global pela transição energética limpa, as células solares de perovskita são consideradas as "candidatas de elite" da próxima geração de tecnologia fotovoltaica. Com baixo custo de fabricação e alta eficiência de conversão fotoelétrica, elas têm o potencial de revolucionar o mercado atual de fotovoltaica de silício cristalino. Entre elas, a perovskita bidimensional do tipo "Ruddlesden-Popper" é considerada o caminho central para levar a fotovoltaica de perovskita do laboratório ao uso comercial, devido à sua estabilidade ambiental muito superior à das perovskitas tridimensionais tradicionais. No entanto, há muito tempo, esses dispositivos sofrem de um "problema crônico" difícil de resolver: a perda significativa de tensão de circuito aberto estrangula diretamente o aumento da eficiência, retardando seu avanço rumo à aplicação comercial. Se compararmos uma célula solar de perovskita a uma "usina de energia solar", os portadores de carga fotogerados seriam os "entregadores" responsáveis por transportar a energia elétrica. Em condições normais, eles percorrem um trajeto até os dois terminais do eletrodo para gerar eletricidade. No entanto, pesquisadores descobriram anteriormente que um grande número desses "entregadores" "desaparecia" pelo caminho, sem nunca conseguirem encontrar a causa desse sumiço.

Diante desse enigma que intrigava a área há anos, a equipe de pesquisa, em colaboração com a equipe do Professor Kenneth Ghiggino da Universidade de Melbourne, Austrália, utilizou várias "lanternas de busca" micro-nano, como microscopia de força atômica e imagem de tempo de vida de fluorescência, para realizar uma varredura abrangente da microestrutura da perovskita bidimensional. Finalmente, eles descobriram que existe um gradiente de distribuição de fase lateral oculto dentro dos grãos de perovskita bidimensional. Esse gradiente forma uma "armadilha de energia" em forma de funil dentro do grão. Os portadores de carga fotogerados acabam sendo "sugados" por essa armadilha enquanto se deslocam, relaxando e dissipando-se em direção ao centro do grão, que possui um bandgap mais baixo, transformando-se inutilmente em calor. Esse é o "canal invisível" de perda de tensão que nunca havia sido encontrado antes.

Identificada a causa, a equipe desenvolveu, como um tratamento direcionado, uma estratégia de regulação de fase, realizando uma "cirurgia estrutural" no interior dos grãos do filme fino de perovskita bidimensional, achatando a distribuição de fase lateral e desmontando diretamente aqueles funis de energia ocultos. Os dados experimentais mostram que a tensão de circuito aberto do dispositivo fotovoltaico otimizado saltou de 1,089 V para 1,155 V, e a eficiência de conversão fotoelétrica também saltou de 14,57% para 17,22%, uma melhoria significativa.

"Antes, achávamos que a perda de tensão ocorria principalmente nos contornos de grão. Nunca imaginamos que dentro do próprio grão houvesse um 'vazamento' tão grande", explicou o líder da equipe, Professor Zheng Fei, da Faculdade de Ciências Físicas e Tecnologia da Universidade de Ningbo. "Esta descoberta é equivalente a encontrar uma nova direção de otimização para a área. Antes, todos estavam 'atravessando o rio tateando as pedras'; agora, sabemos exatamente onde está o alvo preciso."

"O valor central desta pesquisa é colocar, pela primeira vez, o problema do transporte lateral dentro dos grãos em evidência", apresentou o Professor Hu Ziyang, da mesma faculdade. Esta abordagem de regulação direcionada da distribuição de fase não só fornece uma direção para o desenvolvimento de células de perovskita de alta eficiência de conversão, mas também oferece um novo caminho de otimização para a implementação tecnológica em cenários emergentes, como fotovoltaica flexível e geração de energia em ambientes de pouca luz.

Sabe-se que, atualmente, a equipe está iterando ainda mais a estrutura do dispositivo com base neste mecanismo, promovendo a transformação dos resultados relevantes para aplicação industrial. Num futuro próximo, os telhados fotovoltaicos leves nas residências populares, as placas de carregamento portáteis dobráveis e até mesmo as telas autogeradoras de energia em dispositivos vestíveis inteligentes poderão se beneficiar deste avanço tecnológico.