As células solares de perovskita são uma das tecnologias fotovoltaicas mais promissoras para o futuro, com amplas perspetivas de aplicação em centrais elétricas terrestres, integração fotovoltaica em edifícios e fornecimento de energia espacial. Dispositivos de grande área e alta eficiência são uma etapa crucial para a comercialização das células solares de perovskita. Atualmente, a eficiência de conversão fotoelétrica de células de pequena área em laboratório já ultrapassou os 27%, mas o aumento da área do dispositivo enfrenta o problema de uma queda abrupta na eficiência. O principal desafio reside no facto de que, para melhorar a uniformidade do filme fino de perovskita durante a preparação de dispositivos de grande área, são frequentemente utilizadas soluções de baixa concentração para reduzir a viscosidade. Este método apresenta problemas como encurtamento da janela de cristalização e cristalização local excessivamente rápida, resultando em baixa qualidade cristalina do filme e menor eficiência do módulo. Portanto, conciliar "revestimento uniforme em grande área" com "cristalização de alta qualidade" é a chave para preparar módulos de grande área e alta eficiência.
Recentemente, a equipa de investigação do investigador You Jingbi do Instituto de Semicondutores da Academia Chinesa de Ciências propôs uma estratégia de "regulação da fase intermédia estável". Ao introduzir inovadoramente um aditivo bifuncional, conseguiram preparar filmes finos de perovskita de grande área com alta qualidade cristalina e excelente uniformidade, reduzindo a perda de eficiência dos módulos de baterias de grande área de 2,0% para 1,3% por cada ordem de grandeza de aumento de área, aproximando-se do nível de referência da indústria de 0,8% das células solares de telureto de cádmio comercializadas.
A inovação central desta estratégia reside na descoberta da equipa de que a molécula de N-crotonilglicina contém simultaneamente grupos amida e carboxilo, que podem formar fortes interações de coordenação com o iodeto de chumbo. Durante o processo de formação do filme a partir de um precursor de baixa concentração, a molécula aditiva atua como um "reservatório tampão de soluto", estabilizando eficazmente a fase intermédia δ-FAPbI3, normalmente instável, e aumentando significativamente a barreira energética para a sua transição para a fase fotoativa α-FAPbI3 de 0,21 eV para 0,84 eV, retardando o processo de nucleação e crescimento do material de perovskita.
Com base nesta estratégia, a equipa de investigação preparou módulos solares de perovskita de diferentes tamanhos, com desempenho dos dispositivos a atingir níveis líderes internacionais: o módulo de 14,6 cm² obteve uma eficiência certificada em estado estacionário de 24,4%, sendo o recorde de eficiência certificada mais elevado atualmente reportado para módulos de baterias de 10 cm² ou mais; o módulo de 70,5 cm² atingiu uma eficiência de 23,1%; e o módulo de 285,6 cm² alcançou uma eficiência de 22,4%. Sob 1 sol padrão, um módulo com área efetiva de 155 cm² manteve 86% da sua eficiência inicial após 1053 horas de envelhecimento no ponto de potência máxima.
Este trabalho propõe inovadoramente um esquema de regulação do crescimento de materiais de perovskita de grande área, fornecendo uma importante orientação para a transição da tecnologia fotovoltaica de perovskita do laboratório para a produção em escala industrial.
Os resultados da investigação foram publicados no Journal of Semiconductors sob o título "Stable intermediate phase regulation for high-performance and scalable perovskite solar cells". O primeiro autor é Cai Kai, estudante de doutoramento do Instituto de Semicondutores, e os co-autores correspondentes são Zhou Haitao, pós-doutorando do Instituto de Semicondutores, e o investigador You Jingbi.
Este trabalho foi apoiado pelo Programa Nacional de Investigação e Desenvolvimento Chave, pelo Projeto Pioneiro da Academia Chinesa de Ciências, pela Equipa de Investigação Básica com Apoio Estável da Academia Chinesa de Ciências e pela Xiamen Fengyu Optoelectronics Technology Co., Ltd., entre outros.