Uma equipa de investigação chinesa revelou pela primeira vez a principal "caixa preta" física que limita a eficiência das células solares de perovskita de estrutura regular e propôs de forma inovadora um design de camada de transporte de eletrões com dopagem de gradiente contínuo. Com base nesta estratégia, o dispositivo de célula solar obteve uma eficiência de conversão fotoelétrica estabilizada de 27,17% e uma eficiência de varrimento reverso de 27,50%, certificadas por uma autoridade internacional, estabelecendo o recorde de maior eficiência de conversão fotoelétrica para dispositivos fotovoltaicos de perovskita de estrutura regular.

Este resultado de investigação foi alcançado pela equipa do Professor Yuan Mingjian e do Investigador Especial Jiang Yuanzhi da Faculdade de Química da Universidade de Nankai, em colaboração com a equipa do Investigador Xu Jian do Instituto de Tecnologia de Pequim. A investigação relacionada foi publicada online na revista académica internacional "Nature" a 30 de abril, hora de Pequim.

As células solares de perovskita, que combinam alta eficiência com potencial de fabrico escalável, tornaram-se uma tecnologia fotovoltaica de próxima geração muito promissora. Atualmente, os dispositivos de alta eficiência dependem geralmente de substratos com textura micro-nanométrica para melhorar a captura de luz, mas as interfaces complexas introduzem simultaneamente perdas significativas por recombinação não radiativa, tornando-se o principal gargalo que restringe a melhoria do desempenho dos dispositivos de estrutura regular. A eficiência de conversão fotoelétrica dos dispositivos de estrutura regular permaneceu estagnada em cerca de 26% por um longo período, e o seu mecanismo físico profundo ainda não era claro.

Perante os desafios acima mencionados, a equipa de investigação revelou pela primeira vez que existe um efeito sinérgico de desajuste de banda de energia e acumulação de eletrões na interface enterrada entre a camada de transporte de eletrões de óxido de estanho e a perovskita em substratos texturizados. Esta é precisamente a origem física central do agravamento das perdas por recombinação não radiativa e do desempenho do dispositivo estar limitado a longo prazo.

Para resolver este dilema, é necessário regular finamente as propriedades elétricas da camada de transporte de eletrões de óxido de estanho desde a origem. A equipa de investigação desenvolveu uma camada de transporte de eletrões de óxido de estanho com uma estrutura de nível de energia em gradiente, que resolveu o desajuste de banda de energia, auxiliou na extração de eletrões e suprimiu eficazmente as perdas por recombinação não radiativa.

Yuan Mingjian afirmou que a célula solar de perovskita equipada com esta nova camada de transporte de eletrões não só bateu o recorde de eficiência, como a sua perda de tensão de circuito aberto foi reduzida para apenas 295 milivolts, provando plenamente que a recombinação não radiativa foi fundamentalmente suprimida. Esta investigação dissipou sistematicamente, a nível de mecanismo, a névoa de desempenho que há muito pairava sobre os dispositivos de estrutura regular, e também abriu um novo caminho universal e eficaz para o design racional de camadas de transporte de eletrões de óxidos metálicos, com potencial para fornecer suporte técnico para módulos fotovoltaicos de perovskita de alta estabilidade e produção escalável.