Pesquisadores da Academia Chinesa de Ciências (CAS) desenvolveram uma célula solar tandem de quatro terminais, utilizando perovskita de banda larga como célula superior e cobre-índio-gálio-selênio (CIGS) como célula inferior, resolvendo o problema de estabilidade dos materiais perovskitas de banda larga por meio de engenharia de coordenação. O dispositivo tandem manteve mais de 91% de sua eficiência inicial após 2.000 horas de operação contínua, alcançando uma eficiência geral de 29,71%.
A camada absorvedora de perovskita de banda larga enfrenta há muito tempo problemas de degradação de desempenho causados por separação de fases induzida por luz e migração de íons haleto. A equipe de pesquisa apontou que defeitos de chumbo subcoordenado e vacâncias de haleto relacionadas são fatores-chave que desencadeiam a instabilidade — esses defeitos não apenas atuam como centros de recombinação, perturbando o ambiente da rede local, mas também fornecem canais para a migração de íons haleto. Embora as estratégias tradicionais de passivação pós-tratamento possam reduzir alguns defeitos após a cristalização, elas têm controle limitado sobre a formação de defeitos durante o crescimento do filme fino, e a segregação de haleto induzida por luz durante a operação de longo prazo ainda é difícil de suprimir.
Para isso, os pesquisadores utilizaram o composto orgânico contendo enxofre bis(2-piridilmetil)sulfeto (2PyS) para ajustar finamente o ambiente de coordenação local dos íons de chumbo (Pb) na camada de perovskita. A força de ligação do 2PyS com o iodeto de chumbo (PbI₂) é maior do que a dos solventes comumente usados, como dimetilformamida (DMF) e dimetilsulfóxido (DMSO), permitindo uma regulação mais eficaz do ambiente de coordenação dos íons de chumbo durante a formação da perovskita, influenciando assim o processo de cristalização. Medidas de fotoluminescência in situ mostraram que o 2PyS pode ajustar a cinética de cristalização, suprimir a nucleação rápida e promover um crescimento mais uniforme do filme, resultando na redução da recombinação não radiativa e no aumento da integridade estrutural e da estabilidade de fase.
A célula superior de perovskita utiliza eletrodo frontal de óxido de índio-estanho (ITO), camada transportadora de buracos de óxido de níquel (NiOx), camada de interface de monocamada auto-montada (SAM), camada absorvedora de luz de perovskita, camada transportadora de elétrons de fulereno C60, camada tampão de óxido de estanho (SnO₂), eletrodo transparente de ITO e contato metálico de prata (Ag). A subcélula inferior de CIGS é composta por eletrodo traseiro de molibdênio (Mo), camada absorvedora de CIGS, camada tampão de sulfeto de cádmio (CdS) e camada de janela à base de óxido de zinco (ZnO intrínseco i-ZnO e ZnO dopado com alumínio Al:ZnO).
Os resultados dos testes mostraram que a subcélula inferior independente de CIGS alcançou uma eficiência de conversão de potência de 19,65% sob iluminação de espectro completo; quando operada sob a célula superior de perovskita semitransparente, a eficiência da subcélula caiu para 7,5% devido à redução da luz incidente disponível causada pela filtragem espectral. A eficiência da célula superior foi de 22,21%, e a eficiência total do dispositivo tandem integrado de quatro terminais (4T) atingiu 29,71%. A equipe de pesquisa afirmou que esta é uma das maiores eficiências já relatadas para células solares tandem de quatro terminais perovskita/CIGS até o momento.
Os resultados foram publicados na IPOScience sob o título "Coordination-regulated defect suppression enables stable wide-bandgap perovskites for efficient perovskite/CIGS tandem solar cells".