Célula solar tandem de perovskita-orgânica da Universidade de Nanjing, na China, alcança eficiência de 27,35%

De acordo com pt.wedoany.com-Pesquisadores da Universidade de Nanjing (Nanjing University) fabricaram uma célula solar tandem de perovskita-orgânica cuja subcélula orgânica inferior utiliza um aceitador de baixo bandgap (LBG), que reduz a perda de tensão ao mesmo tempo que aumenta a absorção no infravermelho próximo (NIR).

Zheng Qingdong (Qingdong Zheng), autor correspondente do artigo, afirmou que um dos fatores-chave que limitam a eficiência das células solares tandem de perovskita-orgânica é o fato de a densidade de fotocorrente gerada pela subcélula orgânica de baixo bandgap ser inferior à da subcélula de perovskita de bandgap largo (WBG). Esse desequilíbrio de fotocorrente decorre principalmente da grande sobreposição dos espectros de eficiência quântica externa (EQE) das duas subcélulas próximo à borda de absorção da camada de perovskita. Portanto, o desenvolvimento de aceitadores de alto desempenho para o infravermelho próximo é essencial para reduzir a sobreposição espectral, melhorar o casamento de fotocorrente e, em última análise, elevar o desempenho do dispositivo tandem.

Segundo os pesquisadores, estudos anteriores já desenvolveram, por meio de estratégias de engenharia molecular, diversos aceitadores não fulerenos (NFA) para aumentar a absorção no infravermelho próximo em células solares orgânicas de baixo bandgap, permitindo que dispositivos tandem de perovskita-orgânica alcançassem eficiências de conversão de potência certificadas entre 22,0% e 26,4%.

Para aumentar ainda mais a eficiência, a equipe projetou e sintetizou um novo aceitador não fulereno, o Zh-F, com bandgap óptico de 1,23 eV. Esse material tem como núcleo um heteroheptaceno fortemente doador de elétrons, com o objetivo de estreitar o bandgap óptico e estender ainda mais a absorção de luz até a região do infravermelho próximo.

Para reduzir a perda de tensão e melhorar a resposta à luz de comprimento de onda longo, os pesquisadores combinaram o Zh-F com o BTP-eC9, um aceitador não fulereno de alto desempenho da família dos semicondutores orgânicos da série Y. Os dois aceitadores foram combinados com o doador polimérico PM6, formando uma heterojunção ternária que proporciona absorção de luz complementar e maior aproveitamento espectral.

A célula solar orgânica ternária PM6:BTP-eC9:Zh-F assim obtida alcançou eficiência de conversão de potência de 19,84%, tensão de circuito aberto de 0,853 V, densidade de corrente de curto-circuito de 29,00 mA cm⁻² e perda de tensão de apenas 0,510 V.

Zheng Qingdong afirmou que a introdução do Zh-F no sistema PM6 pode simultaneamente aumentar a coleta de fótons no infravermelho próximo, o transporte de carga, a dissociação de éxcitons e a dinâmica de recombinação, além de suprimir a perda de tensão, tornando-o altamente adequado para células solares tandem de perovskita-orgânica.

Essa célula orgânica forma uma estrutura tandem com uma célula superior de perovskita. A célula superior de perovskita apresenta eficiência de conversão de potência de 19,45%, tensão de circuito aberto de 1,32 V, densidade de corrente de curto-circuito de 17,63 mA cm⁻² e fator de preenchimento de 83,65%.

Os pesquisadores construíram a célula tandem monolítica de perovskita-orgânica sobre substratos de vidro e óxido de índio e estanho (ITO). A célula superior de perovskita é composta por uma camada de transporte de buracos (HTL) de óxido de níquel (NiOₓ), uma monocamada automontada (SAM) de Ph-4PACz, uma camada absorvedora de perovskita de bandgap largo e uma camada de transporte de elétrons (ETL) de fulereno de Buckminster (C₆₀).

Uma camada de recombinação de interconexão conecta eletricamente a subcélula frontal de perovskita à subcélula traseira orgânica de baixo bandgap. A célula orgânica inclui uma camada seletiva de buracos de Ph-2PACz, uma camada absorvedora fotoativa orgânica, uma camada de transporte de elétrons baseada no material de interface PDIP à base de perileno diimida e um eletrodo de contato metálico de prata (Ag).

A estrutura acima constitui um dispositivo tandem monolítico de dois terminais de perovskita-orgânica: a subcélula frontal de perovskita capta fótons de maior energia, enquanto a subcélula traseira orgânica estende a coleta de luz até a região do infravermelho próximo.

Sob condições de iluminação padrão, a célula tandem alcançou eficiência de conversão de potência de 27,35%, tensão de circuito aberto de 2,16 V, densidade de corrente de curto-circuito de 15,35 mA cm⁻² e fator de preenchimento de 82,39%. Em comparação, o dispositivo tandem de controle com aceitadores convencionais apresentou eficiência de 25,69%.

Zheng Qingdong afirmou que o dispositivo tandem obteve eficiência certificada de 26,88%, a mais alta eficiência verificada entre as células solares tandem de perovskita-orgânica já relatadas. Além da eficiência, o dispositivo não encapsulado também apresentou boa estabilidade, mantendo 80% do desempenho inicial após cerca de 744 horas de iluminação contínua de 1 sol.

Os resultados relacionados foram publicados na revista《Joule》sob o título "Melhorando a absorção no infravermelho próximo por meio de aceitadores de baixo bandgap para alcançar 27,35% de eficiência em células solares tandem de perovskita-orgânica".

Em junho de 2025, pesquisadores do Instituto de Pesquisa Solar de Singapura (SERIS) haviam anunciado a obtenção de 26,4% de eficiência de conversão de potência com a mesma estrutura.