Uma equipe de pesquisa da Universidade do Kuwait comparou os efeitos no tamanho do grão do filme de perovskita, cristalinidade, rugosidade da superfície, defeitos e desempenho relacionado da célula solar de gases de têmpera (banho) de hélio e argônio com nitrogênio. O nitrogênio é normalmente usado como uma forma compatível de baixo custo e grande área para criar a cristalização adequada da camada de perovskita.
“Eu esperava ver diferentes eficiências iniciais de conversão de energia, mas fiquei muito surpreso ao ver que o uso de gases inertes com diferentes pesos moleculares também leva à alteração da vida útil da célula solar”, afirmou Afshin Hadipour, autor correspondente da pesquisa, à pv magazine.
De fato, o estudo demonstrou que os filmes de perovskita temperados com hélio, como o gás mais leve, e argônio, como o mais pesado, tinham tamanhos de grão maiores e eram “muito estáveis” em condições operacionais em comparação com um dispositivo processado por gás nitrogênio, que tinha um tamanho de grão menor.
A caracterização dos efeitos de superfície, tamanho de cristal e formação de grãos foi feita via microscopia eletrônica de varredura (MEV), microscopia de força atômica (AFM) e difração de raios-x pós-recozimento (DRX). Outros testes envolveram simulação solar em um glove box – recipiente selado que permite trabalhar com amostras isoladas do ambiente externo – cheio de nitrogênio e testes optoeletrônicos que incluíram medições de espectroscopia fotoluminescente (PL), eficiência quântica externa (EQE) e fotoluminescência resolvida no tempo (TRPL).
“Os pesos médios ao longo da vida de três camadas de perovskita temperadas com três gases diferentes foram comparados com o maior tempo de vida do éxciton para filme temperado com gás hélio, seguido por gases nitrogênio e argônio, respectivamente”, observaram os cientistas.
Eles também analisaram que o rastreamento do ponto de potência máxima (MPP) resulta sob iluminação com 1 sol a 25 ° C, o dispositivo temperado “com gás nitrogênio é uma ordem de magnitude menos estável” em comparação com dispositivos de células solares estáveis temperados com hélio e argônio.
Olhando para os resultados das sequências de teste, Hadipour explicou que, embora os dispositivos feitos com os três gases tenham começado com resultados semelhantes de eficiência de conversão de energia (PCE) de cerca de 20%, houve uma “enorme diferença” na vida útil das células solares em condições operacionais.
As camadas ativas de perovskita temperadas com hélio e argônio quase não tiveram degradação, exibindo um PCE semelhante ao desempenho inicial de conversão de energia, “enquanto o dispositivo temperado com nitrogênio ficou com apenas cerca de 50% de sua eficiência inicial”.
Os dispositivos utilizados no experimento foram dispositivos do tipo p-i-n invertido com substratos de vidro medindo 9 cm2 e baseados em uma receita de perovskita de cátion duplo formamidínio-césio (FA-Cs) com bandgap de 1,6 eV. Em uma célula solar n-i-p, o dispositivo é iluminado através do lado da camada de transporte de elétrons (ETL), enquanto uma estrutura p-i-n é iluminada através da superfície de transporte de orifícios (HTL).
A pilha era a seguinte: óxido de índio e estanho (ITO), camada de transporte de orifício de polímero feita de poli (triarilamina) (PTAA), perovskita temperada a gás, camada de transporte de elétrons buckminsterfulereno (C60) (ETL), uma camada tampão de batocuproína (BCP) e eletrodo de prata (AG).
A equipe afirmou que o método alternativo de têmpera é compatível com uma variedade de ferramentas de revestimento e tem potencial em larga escala para fins de produção. É claro que, para cada tipo de composição de perovskita e solvente precursor, diferentes gases inertes devem ser testados e comparados entre si para encontrar a condição de têmpera ideal para cada caso individual”, acrescentou.
A colaboração de pesquisa foi realizada com os pesquisadores do instituto belga de pesquisa imec, de acordo com Hadipour e descrito em “Enhancing gas-quenching method for fabrication of perovskite-based photovoltaics“, no Jornal de Ciência do Kuwait.
O grupo se concentrará no futuro na têmpera a gás de uma variedade de composições de perovskita e com diferentes sistemas de solventes.
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