Equipe chinesa da Universidade de Tecnologia de Hebei e outras instituições eleva eficiência de células solares de perovskita a 27,39% com nova estratégia molecular

De acordo com pt.wedoany.com-Uma equipe de pesquisa da Universidade de Tecnologia de Hebei, da Universidade Nanhu de Jiaxing (Jiaxing Nanhu University) e da Universidade de Tianjin propôs uma estratégia de design molecular de quelação de duplo sítio com controle espacial (SGDC) para células solares de perovskita. Essa estratégia, ao reduzir defeitos no filme de perovskita, elevou a eficiência das células em laboratório para 27,39% e alcançou mais de 22% de eficiência de conversão de potência em mini-módulos bifaciais com área superior a 150 centímetros quadrados.

Durante o processo de cristalização rápida, os filmes de perovskita deixam defeitos sutis na superfície, nos contornos de grão e na interface inferior enterrada. Cong Chen, primeiro autor do estudo, afirmou que, embora aditivos moleculares possam aliviar essas imperfeições, o design exige um equilíbrio: interações fortes favorecem a passivação de defeitos, mas o empilhamento molecular excessivo ou a formação de camadas isolantes na interface podem, por outro lado, obstruir o transporte de cargas. A engenharia de aditivos oferece, assim, uma rota prática para passivar defeitos eletrônicos enquanto se regula a cristalização — o aditivo ideal deve combinar forte ligação a defeitos, sem bloquear o transporte de cargas e, de preferência, fornecer proteção adicional contra estresses ambientais ao dispositivo.

O design molecular SGDC proposto pela equipe é composto por um núcleo rígido tridimensional de adamantano com dois braços de coordenação carboximetil, capaz de realizar forte quelação de íons de chumbo subcoordenados (Pb²⁺) e de ajustar espacialmente o empilhamento molecular local. O aditivo molecular à base de adamantano utilizado pelos pesquisadores é denominado ADA-DA, cujos dois grupos carboximetil coordenam-se simultaneamente com Pb²⁺ subcoordenado, enquanto o núcleo rígido tridimensional de adamantano serve para controlar o empilhamento molecular, evitando aglomeração interfacial excessiva. Chen explicou que essa combinação realiza uma quelação de duplo sítio com controle espacial, permitindo forte passivação de defeitos sem obstruir o transporte de cargas; medições experimentais confirmaram que o ADA-DA exibe fortes interações tanto com íons de chumbo quanto com íons de iodeto.

Os filmes de perovskita obtidos com essa estratégia apresentam grãos maiores, menos contornos de grão e uma morfologia mais densa e lisa. As moléculas de ADA-DA distribuem-se por toda a camada de perovskita, concentrando-se preferencialmente em regiões que mais necessitam de passivação, como superfícies e contornos de grão. Medições elétricas revelaram uma redução significativa nas densidades de armadilhas de elétrons e buracos.

Os dispositivos fabricados pela equipe possuem estrutura invertida p-i-n, composta por substrato de ITO, camada de transporte de buracos de óxido de níquel (NiOₓ) com monocamada automontada, camada absorvedora de perovskita, camada de transporte de elétrons de fulereno (C60), camada tampão de batocuproína (BCP) e eletrodo de prata; o filme de perovskita dopado com ADA-DA foi depositado por processo de cristalização por evaporação flash a vácuo. Sob condições de iluminação padrão, o dispositivo atingiu eficiência de conversão de potência de 27,39%, enquanto a célula de referência sem a estratégia obteve 26,24%. A equipe afirmou que esse resultado foi certificado por uma terceira parte independente cujo nome não foi divulgado.

Na validação em escala ampliada, a equipe estendeu as células modificadas com ADA-DA para mini-módulos bifaciais, utilizando eletrodos transparentes de ITO ou óxido de índio-zinco (IZO) em cada lado. Um mini-módulo de 13 células com área de 163,93 centímetros quadrados alcançou eficiência de conversão de potência de pico de 22,21% quando iluminado pelo lado de vidro/ITO; um mini-módulo de 12 células com área de 151,32 centímetros quadrados atingiu eficiência de pico de 22,33% quando iluminado pelo lado de IZO. Chen afirmou que a estrutura bifacial combina alta eficiência com transparência e capacidade de captação de luz em ambos os lados, sendo adequada para aplicações fotovoltaicas integradas a edifícios (BIPV).

Nos testes de estabilidade, o mini-módulo ADA-DA com área de 151,32 centímetros quadrados operou por mais de 5.000 horas sob iluminação contínua de LED de luz branca, com a potência de saída diminuindo de 1.028,5 miliwatts para 1.024,1 miliwatts, mantendo-se em 99,6% do valor inicial. Os resultados foram publicados na revista Joule sob o título "Steric-gated dual-site chelation enables 27.3% efficient perovskite solar cells and ultra-stable 22% bifacial modules".