Os pesquisadores da NUS integraram com sucesso um novo ânion, o cianato, em uma estrutura de perovskita, o que foi um avanço importante na fabricação de novas células solares tandem de perovskita/Si de junção tripla. Crédito: Universidade Nacional de Singapura
Pesquisadores da Universidade Nacional de Cingapura (NUS) desenvolveram uma nova célula solar tandem de perovskita / Si de junção tripla que pode atingir uma eficiência de conversão de energia certificada e recorde mundial de 27,1% em uma área de absorção de energia solar de 1 cm2. Esta conquista marca o mais alto desempenho de uma célula solar tandem de perovskita/silício de junção tripla até o momento. A descoberta foi possível graças ao desenvolvimento de uma nova célula solar de perovskita integrada com cianato, conhecida por sua estabilidade e alta eficiência energética.
As células solares podem ser fabricadas em mais de duas camadas e montadas para formar células solares de múltiplas junções para aumentar a eficiência. Cada camada é feita de diferentes materiais fotovoltaicos e absorve a energia solar em uma faixa diferente. No entanto, as atuais tecnologias de células solares multijunções apresentam muitos problemas, como a perda de energia que leva à baixa tensão e à instabilidade do dispositivo durante a operação.
Para superar esses desafios, o professor assistente Hou Yi liderou uma equipe de cientistas da NUS College of Design and Engineering (CDE) e do Solar Energy Research Institute of Singapore (SERIS) para demonstrar, pela primeira vez, a integração bem-sucedida do cianato em uma perovskita. célula solar para desenvolver uma célula solar tandem de perovskita / Si de junção tripla de última geração que supere o desempenho de outras células solares de junção múltipla semelhantes. Asst Prof Hou é jovem professor presidencial no Departamento de Engenharia Química e Biomolecular do CDE, bem como líder de grupo no SERIS, um instituto de pesquisa de nível universitário em NUS.
“Notavelmente, após 15 anos de pesquisa contínua no campo de células solares baseadas em perovskita, este trabalho constitui a primeira evidência experimental da inclusão de cianato em perovskitas para aumentar a estabilidade de sua estrutura e melhorar a eficiência de conversão de energia”, disse Asst Prof. Hou.
O processo experimental que levou a esta descoberta inovadora foi publicado na revista Natureza.
O professor assistente Hou Yi (à direita) e o Dr. Liu Shunchang (à esquerda) da Universidade Nacional de Cingapura (NUS) fabricaram as novas células solares tandem de perovskita / Si de junção tripla usando tecnologias e equipamentos de ponta no Instituto de Pesquisa de Energia Solar de Cingapura em NUS. Essas células solares tandem têm uma impressionante eficiência de conversão de energia certificada e recorde mundial de 27,1% em uma área ativa de 1 cm2. Crédito: Universidade Nacional de Singapura
Fabricação de tecnologia de células solares com eficiência energética
As interações entre os componentes da estrutura da perovskita determinam a faixa de energia que ela pode atingir. Ajustar a proporção desses componentes ou encontrar um substituto direto pode ajudar a modificar a faixa de energia da perovskita. No entanto, pesquisas anteriores ainda não produziram uma receita de perovskita com uma faixa de energia ultraampla e alta eficiência.
Neste trabalho publicado recentemente, a equipe do NUS fez experiências com cianato, um novo pseudohaleto, como substituto do brometo – um íon do grupo haleto que é comumente usado em perovskitas. Dr. Liu Shunchang, pesquisador da equipe do Asst Prof Hou, empregou vários métodos analíticos para confirmar a integração bem-sucedida do cianato na estrutura da perovskita e fabricou uma célula solar de perovskita integrada ao cianato.
Análises mais aprofundadas da estrutura atômica da nova perovskita forneceram – pela primeira vez – evidências experimentais de que a incorporação de cianato ajudou a estabilizar sua estrutura e formar interações-chave dentro da perovskita, demonstrando como ela é um substituto viável para haletos em células solares baseadas em perovskita.
Com potencial para atingir mais de 50% de eficiência de conversão de energia, esta nova tecnologia de célula solar tandem de perovskita/Si de junção tripla desenvolvida pelo professor assistente Hou Yi (à esquerda) e pelo Dr. Liu Shunchang (à direita) da Universidade Nacional de Cingapura abre o caminho para uma ampla gama de aplicações para aproveitar a energia solar com restrições de espaço. Crédito: Universidade Nacional de Singapura
Ao avaliar o desempenho, os cientistas da NUS descobriram que as células solares de perovskita incorporadas com cianato podem atingir uma voltagem mais alta de 1,422 volts em comparação com 1,357 volts para células solares de perovskita convencionais, com uma redução significativa na perda de energia.
Os pesquisadores também testaram a célula solar de perovskita recém-projetada, operando-a continuamente na potência máxima por 300 horas sob condições controladas. Após o período de teste, a célula solar permaneceu estável e funcionou acima de 96% da capacidade.
Encorajada pelo desempenho impressionante das células solares de perovskita integradas em cianato, a equipe NUS levou sua descoberta inovadora para o próximo passo, usando-a para montar uma célula solar tandem de perovskita/Si de junção tripla. Os pesquisadores empilharam uma célula solar de perovskita e uma célula solar de silício para criar uma meia célula de junção dupla, fornecendo uma base ideal para a fixação da célula solar de perovskita integrada com cianato.
Uma vez montada, os pesquisadores demonstraram que, apesar da complexidade da estrutura da célula solar em tandem de perovskita/Si de junção tripla, ela permaneceu estável e atingiu uma eficiência recorde mundial certificada de 27,1% por um laboratório de calibração fotovoltaica independente e credenciado.
“Coletivamente, esses avanços oferecem insights inovadores sobre a mitigação da perda de energia em células solares de perovskita e estabelecem um novo rumo para o desenvolvimento da tecnologia solar de junção tripla baseada em perovskita”, disse Asst Prof Hou.
Próximos passos
A eficiência teórica das células solares tandem de perovskita/Si de junção tripla excede 50 por cento, apresentando potencial significativo para melhorias adicionais, especialmente em aplicações onde o espaço de instalação é limitado.
No futuro, a equipe NUS pretende expandir esta tecnologia para módulos maiores sem comprometer a eficiência e a estabilidade. A pesquisa futura se concentrará em inovações nas interfaces e na composição da perovskita – estas são áreas-chave identificadas pela equipe para avançar ainda mais esta tecnologia.
Referência: “Células solares de junção tripla com cianato em perovskitas de bandgap ultralargo” por Shunchang Liu, Yue Lu, Cao Yu, Jia Li, Ran Luo, Renjun Guo, Haoming Liang, Xiangkun Jia, Xiao Guo, Yu-Duan Wang, Qilin Zhou , Xi Wang, Shaofei Yang, Manling Sui, Peter Müller-Buschbaum e Yi Hou, 4 de março de 2024, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07226-1
