Estação de medição de fotoluminescência HDR: Dr. Genghua Yan foi responsável por grande parte das medições. Crédito: Forschungszentrum Jülich/Ralf-Uwe Limbach
Pesquisadores do Forschungszentrum Jülich identificaram uma forma especial de proteção contra recombinação para portadores de carga gratuita em células solares de perovskita, descoberta por meio de medições inovadoras de fotoluminescência.
As células solares de perovskita, conhecidas por sua alta eficiência e custo de produção relativamente baixo, têm surpreendido consistentemente os pesquisadores. Recentemente, cientistas do Forschungszentrum Jülich revelaram um novo aspecto dessas células usando um método inovador de medição de fotoluminescência. Eles descobriram que a perda de portadores de carga neste tipo de célula segue leis físicas diferentes daquelas conhecidas para a maioria das células. semicondutores. Este comportamento único poderia explicar a impressionante eficiência das células. Essas descobertas foram publicadas na revista Nature Materials.
As células solares de perovskita são consideradas altamente promissoras para a energia fotovoltaica, mesmo que a sua estabilidade deixe muito a desejar. Células desse tipo são baratas para imprimir e muito eficientes. Na última década, a sua eficiência duplicou para mais de 25% e, portanto, está atualmente no mesmo nível das células solares convencionais feitas de silício. Outras melhorias também parecem ser possíveis no futuro.
“Um fator importante aqui é a questão de quanto tempo os portadores de carga excitados permanecem no material, em outras palavras, sua vida útil”, explica Thomas Kirchartz. “Compreender os processos é crucial para melhorar ainda mais a eficiência das células solares baseadas em perovskita.” O engenheiro eletricista é chefe de um grupo de trabalho sobre células solares orgânicas e híbridas no Instituto de Pesquisa Energética e Climática de Forschungszentrum Jülich (IEK-5).
É a vida que conta
Numa célula solar, os elétrons são desalojados pelos fótons e elevados a um nível de energia mais elevado, da banda de valência para a banda de condução. Só então eles poderão se mover mais livremente e fluir através de um circuito externo. Eles só poderão contribuir para a geração de energia elétrica se sua vida útil for longa o suficiente para que passem pelo material absorvedor até o contato elétrico. Um elétron excitado também deixa um buraco na banda de valência subjacente – uma vaga móvel que pode ser movida através do material como um portador de carga positiva.
São principalmente defeitos na rede cristalina que garantem que os elétrons excitados voltem rapidamente para níveis de energia mais baixos. Os elétrons afetados não serão mais capazes de contribuir para o fluxo de corrente. “Esse mecanismo também é conhecido como recombinação e é o principal processo de perda de toda célula solar”, diz Kirchartz.
O professor Thomas Kirchartz está usando métodos analíticos inovadores para pesquisar novas células solares imprimíveis, por exemplo, de perovskitas haleto ou semicondutores moleculares. Crédito: Forschungszentrum Jülich/Ralf-Uwe Limbach
Recombinação crucial para eficiência
Nenhuma célula solar é perfeita em nível atômico; cada um apresenta diferentes tipos de defeitos devido ao processo de fabricação. Esses defeitos ou átomos estranhos na estrutura da rede são os pontos de coleta onde elétrons e lacunas tendem a se unir. Os elétrons então voltam para a banda de valência e tornam-se inúteis em termos de geração de eletricidade.
“Anteriormente, presumia-se que a recombinação era predominantemente desencadeada por defeitos que estão energeticamente localizados no meio entre as bandas de valência e de condução. Isso ocorre porque esses defeitos profundos são igualmente acessíveis aos elétrons excitados e às suas contrapartes, os buracos”, diz Kirchartz. Na verdade, isso provavelmente é verdade para a maioria dos tipos de células solares.
Defeitos superficiais dominam
No entanto, Kirchartz e sua equipe refutaram agora esta suposição para células solares de perovskita e mostraram que os defeitos superficiais são, em última análise, decisivos em termos de sua eficiência final. Ao contrário dos defeitos profundos, eles não estão localizados no meio do band gap, mas muito próximos da banda de valência ou de condução.
“A causa deste comportamento incomum ainda não foi totalmente esclarecida”, acrescenta Kirchartz. “É razoável supor que defeitos profundos simplesmente não podem existir nestes materiais. Esta restrição também pode ser uma das razões para a eficiência particularmente elevada das células.”
Nova técnica de medição HDR com faixa dinâmica estendida
A observação só foi possível graças a medições inovadoras de fotoluminescência transitória. Nas medições anteriores não foi possível distinguir os processos de perda causados por defeitos superficiais daqueles causados por outros fatores.
O novo método de medição desenvolvido por Thomas Kirchartz e sua equipe na Forschungszentrum Jülich fornece dados com uma faixa dinâmica significativamente maior em comparação com a tecnologia convencional, ou seja, dados em uma faixa de medição maior e com melhor gradação fina. O processo é baseado em um princípio semelhante ao das imagens HDR em alta qualidade de faixa dinâmica. A faixa dinâmica da câmera é aumentada pela sobreposição de diferentes imagens ou medições – neste caso, sinais com diferentes níveis de amplificação – para criar um conjunto de dados.
Referência: “Defeitos superficiais e tempos de decaimento de fotoluminescência variáveis de até 280 µs em perovskitas de cátions triplos” por Ye Yuan, Genghua Yan, Chris Dreessen, Toby Rudolph, Markus Hülsbeck, Benjamin Klingebiel, Jiajiu Ye, Uwe Rau e Thomas Kirchartz, 9 de janeiro 2024, Materiais da Natureza.
DOI: 10.1038/s41563-023-01771-2
