Uma equipe de pesquisa chinesa fabricou interconexões ultraestreitas para módulos solares orgânicos usando processamento a laser de nanossegundos ultravioleta de 355 nm. Os pesquisadores afirmam ter alcançado uma largura de interconexão de 80 μm, o que até agora só era possível com lasers de pulso de femtossegundo.
“O elevado custo dos lasers de pulso de femtossegundo e o aumento do consumo de energia podem representar desafios potenciais, especialmente em processos de fabricação em larga escala”, disseram eles. “Este estudo apresenta uma abordagem econômica e reprodutível para a produção de módulos de células solares orgânicas (OSC) de alto desempenho.”
Como caso representativo, eles escolheram um sistema OSC usando uma camada de filme fino de óxido de índio e estanho (ITO), com óxido de zinco (ZnO) como camada de transporte de elétrons. A camada ativa foi feita do material polimérico de heterojunção PM6:L8-BO:PC61BM, uma camada de óxido de molibdênio (MoOx) e um contato metálico de prata (Ag). O substrato foi à base de vidro.
“O principal obstáculo que dificulta a comercialização de OSCs está no desafio de ampliar as células em escala laboratorial para módulos de grande área”, explicou o grupo de pesquisa. “Um dos desafios envolve a preparação eficaz da interconexão de células em módulos, minimizando a perda de eficiência. Se os dispositivos de grande área forem configurados como uma única célula grande em vez de serem conectados em série, a condutância restrita dos eletrodos transparentes, como o ITO, leva a perdas na resistência em série, o que, por sua vez, causa perda de eficiência.”
Para resolver esse problema, uma abordagem de gravação a laser é frequentemente empregada para criar uma conexão em série integrada usando o padrão P1-P2-P3. Em sua pesquisa, essa escrita foi feita com o processamento a laser de nanossegundos mais barato.
No estágio P1, o filme fino de ITO é cortado em tiras que definem as subcélulas. A largura de pulso Q é otimizada a uma constante de 4,0 μs. Após investigação, os cientistas descobriram que os picos criados nesse processo não diminuem o desempenho dos módulos OSC.
A próxima etapa de gravação, o P2, “é projetada para remover todas as camadas empilhadas no topo da camada ITO, deixando o ITO intacto e, assim, criando um bom contato ôhmico entre o cátodo ITO e o ânodo Ag”.
Os cientistas descobriram que isso pode ser criado com largura de pulso Q-switched variando de 4,5 a 6,6 μs, pois todos demonstraram resultados comparáveis. “Aumentar a largura de pulso Q-switched para 7,7 μs não resulta na remoção completa da camada ativa. Como consequência, leva a um declínio em todos os parâmetros do dispositivo do módulo”, acrescentaram. “Esses resultados confirmam claramente que a janela do processo P2 pode ser significativamente mais ampla após o equilíbrio fino da largura da subcélula e da profundidade de marcação da gravação a laser.”
O objetivo da última etapa, o P3, é segmentar o filme Ag em tiras separadas para definir as subcélulas. Para isso, os acadêmicos aplicaram dois métodos – riscagem rasa (P3-S) e riscagem profunda (P3-D) – e descobriram que em ambos os casos, P3-S e P3-D, o OSC apresentou desempenho semelhante.
“Depois de otimizar os parâmetros do laser para os escribas P1, P2 e P3, uma área de padronização estreita é obtida. A largura de interconexão é reduzida para cerca de 80 μm, que é a largura mais estreita usando um laser de nanossegundos e é comparável a um laser de femtossegundo”, disseram eles. “A largura da subcélula é estrategicamente definida em 4,1 mm para maximizar a área do módulo e atingir um impressionante fator de preenchimento geométrico de 98%, atingindo a referência para módulos OSC fabricados a laser de nanossegundos.”
Fabricando um dispositivo com uma área de 1 cm2, o módulo produziu uma eficiência de conversão de energia de 17,55%. “Uma eficiência de 16,10% foi obtida para um módulo OSC com uma área ativa de 11,08 cm2, que é a maior eficiência para módulos solares orgânicos relatada até agora”, acrescentou o grupo. “Impressionantemente, o módulo OSC de alto desempenho alcançou um notável fator de preenchimento geométrico de 98%, levando a uma eficiência certificada de 15,43% em uma área de abertura de 11,30 cm2.”
A nova abordagem foi apresentada em “A 16.10% efficiency organic solar module with ultra-narrow interconnections fabricated via nanosecond ultraviolet laser processing“, publicado na Cell Reports Physical Science. O grupo era composto por cientistas da Universidade Central do Sul da China, da Academia Chinesa de Ciências, da Universidade da Cidade de Hong Kong e do Centro Nacional Chinês de Nanociência e Tecnologia.
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