As perovskitas puramente inorgânicas podem ser bem comparadas com suas contrapartes híbridas em termos de eficiência. Crédito da foto: Ilustração de Xie Zhang

Uma nova pesquisa mostra que as células solares de perovskita puramente inorgânicas prometem melhorar a eficiência da célula solar.

As perovskitas híbridas orgânico-inorgânicas já mostraram eficiências fotovoltaicas muito altas de mais de 25%. A sabedoria predominante nesta área é que as moléculas orgânicas (contendo carbono e hidrogênio) no material são críticas para alcançar esse feito impressionante, pois acredita-se que elas suprimem a recombinação de portadores de carga auxiliada por defeito.

Uma nova pesquisa na divisão de materiais da UC Santa Bárbara mostrou não apenas que essa suposição está errada, mas também que materiais puramente inorgânicos têm o potencial de superar as perovskitas híbridas. Os resultados são publicados no artigo “Perovskitas halogenadas totalmente inorgânicas como candidatas a células solares de eficiência”, que aparece na capa da revista em 20 de outubro de 2021 Cell reporta ciência física.

“Para comparar os materiais, realizamos simulações extensivas dos mecanismos de recombinação”, explica Xie Zhang, pesquisador-chefe do estudo. “Quando a luz incide sobre um material de célula solar, os portadores fotogerados geram uma corrente; A recombinação em defeitos destrói alguns desses portadores e, portanto, reduz a eficiência. Os defeitos, portanto, agem como assassinos da eficiência. “

Para comparar as perovskitas inorgânicas e híbridas, os pesquisadores examinaram dois materiais protótipos. Ambos os materiais contêm átomos de chumbo e iodo, mas em um material a estrutura cristalina é completada pelo elemento inorgânico césio, enquanto no outro a molécula orgânica de metilamônio está presente.

Classificar esses processos experimentalmente é extremamente difícil, mas cálculos de mecânica quântica de ponta podem prever com precisão as taxas de recombinação graças a uma nova metodologia desenvolvida no grupo do professor de materiais da UCSB Chris Van de Walle, Turiansky, um estudante graduado sênior do grupo com quem Escrevendo o código para calcular as taxas de recombinação.

“Nossos métodos são muito poderosos para determinar quais defeitos estão causando a perda de transportadores”, disse Turiansky. “É emocionante ver como a abordagem é aplicada a uma das questões mais críticas do nosso tempo, ou seja, a geração eficiente de energias renováveis.”

A realização das simulações mostrou que defeitos comuns a ambos os materiais levam a graus comparáveis ​​(e relativamente benignos) de recombinação. No entanto, a molécula orgânica na perovskita híbrida pode se quebrar; Quando os átomos de hidrogênio são perdidos, as “vacâncias” resultantes reduzem muito a eficiência. A presença da molécula é, portanto, mais uma desvantagem do que uma vantagem para a eficiência geral do material.

Então, por que isso não foi percebido experimentalmente? Principalmente porque é mais difícil cultivar camadas de alta qualidade de materiais puramente inorgânicos. Eles tendem a assumir diferentes estruturas cristalinas e mais experimentação é necessária para promover a formação da estrutura desejada. No entanto, pesquisas recentes mostraram que alcançar a estrutura preferida é perfeitamente viável. A dificuldade, porém, explica por que as perovskitas puramente inorgânicas não têm recebido tanta atenção.

“Esperamos que nosso conhecimento da eficiência esperada estimule novas atividades na fabricação de perovskitas inorgânicas”, concluiu Van de Walle.

Referência: “Perovskitas halogenadas totalmente inorgânicas como candidatas a células solares de eficiência” por Xie Zhang, Mark E. Turiansky e Chris G. Van de Walle, 11 de outubro de 2021, Cell reporta ciência física.
DOI: 10.1016 / j.xcrp.2021.100604

Esta pesquisa foi financiada pelo Departamento de Energia, Escritório de Ciências, Escritório de Ciências Básicas de Energia; os cálculos foram realizados no Centro Nacional de Computação Científica de Pesquisa Energética.