A equipa liderada pelos investigadores Ge Ziyi e Liu Chang do Instituto de Tecnologia e Engenharia de Materiais de Ningbo, da Academia Chinesa de Ciências, fez progressos importantes na área das células solares tandem totalmente de perovskita. Desenvolveram uma estratégia de regulação da cristalização baseada na teoria da dureza química, alcançando uma eficiência de conversão de potência certificada de 30,3% em dispositivos rígidos e uma eficiência certificada de 28,0% em dispositivos flexíveis. Os resultados da investigação foram publicados na revista Nature Nanotechnology.
As células solares tandem totalmente de perovskita são compostas por subcélulas de banda larga e banda estreita, podendo utilizar o espetro solar de forma mais eficiente do que os dispositivos de junção única. No entanto, as películas de perovskita multicomponente são propensas a um desajuste nas taxas de nucleação e cristalização durante o processo de formação da película, levando a uma distribuição vertical não uniforme dos componentes e ao aumento de defeitos, o que limita a melhoria da eficiência e estabilidade do dispositivo.
Para resolver este problema, a equipa de investigação concebeu aditivos aniónicos com capacidade de coordenação seletiva, com base na teoria dos ácidos e bases duros e moles. O estudo descobriu que o ião difluoro(oxalato)borato pode regular eficazmente o comportamento de cristalização dos halogenetos na perovskita de banda larga, enquanto o ião tetrafluoroborato é adequado para o sistema de perovskita de estanho-chumbo de banda estreita. Os dois aditivos podem coordenar-se seletivamente com os precursores, sincronizando os processos de nucleação e crescimento de cristais, suprimindo a distribuição não uniforme da fase vertical e melhorando a homogeneidade da película.
A análise estrutural e a caracterização ótica mostraram que esta estratégia promoveu uma nucleação e um crescimento de cristais uniformes, ao mesmo tempo que suprimiu a redistribuição de halogenetos que normalmente leva a defeitos e acumulação de tensão. Após a otimização, a eficiência da subcélula de banda larga aumentou de 18,5% para 20,1%, e a da subcélula de banda estreita de 21,6% para 23,3%. Numa estrutura tandem monolítica de dois terminais, o dispositivo rígido atingiu uma eficiência máxima de 30,3%, uma tensão de circuito aberto de 2,16 V e um fator de preenchimento de 85,2%.
Em termos de estabilidade operacional, o dispositivo rígido otimizado manteve 92% da sua eficiência inicial após 1000 horas de rastreio contínuo no ponto de potência máxima. A eficiência do dispositivo tandem flexível atingiu 28,2%, com um valor certificado de 28,0%, e manteve 95,2% da sua eficiência inicial após 10.000 ciclos de flexão.
Este estudo revela o mecanismo de formação da cristalização não sincronizada e da não homogeneidade composicional em perovskitas de composição complexa, estabelece um princípio químico universal para regular a cristalização de sistemas de perovskita multicomponente e fornece um caminho técnico para conciliar a eficiência e a durabilidade em dispositivos rígidos e flexíveis.