Introdução às células solares de perovskita
A estrutura das células solares de perovskita é ilustrada na figura abaixo. Seu núcleo é um material absorvedor de luz composto por haletos organometálicos com estrutura cristalina de perovskita (ABX₃) (estrutura de célula unitária mostrada na figura anexa). Nesta estrutura de perovskita ABX₃,UMé o grupo metilamônio (CH₃NH₃⁺),Bé um átomo de chumbo metálico eXé um átomo de halogênio, como cloro, bromo ou iodo. Atualmente, o material de perovskita mais comum em células solares de perovskita de alta eficiência éiodeto de chumbo metilamônio (CH₃NH₃PbI₃). Tem uma lacuna de banda de aproximadamente1,5 eVe um alto coeficiente de extinção; um filme com apenas algumas centenas de nanômetros de espessura pode absorver suficientemente a luz solar até 800 nm. Além disso, este material é simples de preparar — um filme uniforme pode ser obtido por centrifugação de uma solução contendo PbI₂ e CH₃NH₃I à temperatura ambiente. Essas propriedades permitem que a estrutura do tipo perovskita CH₃NH₃PbI₃ não apenas absorva a luz visível e parte do espectro infravermelho próximo, mas também gere portadores fotogerados que são menos propensos à recombinação, com perda mínima de energia. Esta é a razão fundamental pela qual as células solares de perovskita podem atingir alta eficiência.
Figura: Estrutura cristalina do material perovskita (usando CH₃NH₃PbI₃ como exemplo) e diagrama esquemático de uma estrutura de célula solar de perovskita.
Devido à estrutura cristalina relativamente complexa, que impõe requisitos rigorosos aos raios dos átomos (ou grupos) nos sítios A, B e X, a composição dos materiais perovskitas que absorvem luz é relativamente fixa. Recentemente, alguns grupos de pesquisa substituíram o grupo metilamônio no sítio A porformamidínio (FA⁺), estreitando a lacuna para1,48 eVe alcançar maior fotocorrente. Para oSítio B, a substituição do chumbo (Pb) por estanho (Sn) ainda não resultou em nenhuma resposta fotoelétrica relatada. Para oSite X, átomos como cloro, bromo ou iodo podem ser usados, mas apenas perovskitas à base de iodo possuem uma banda proibida adequada para alta eficiência de conversão. Além de CH₃NH₃PbI₃,CH₃NH₃PbI₃₋ₓClₓtambém é amplamente estudado. Mantendo a estrutura básica do nível de energia, uma pequena quantidade de dopagem com cloro pode melhorar a mobilidade dos elétrons, demonstrando desempenho fotoelétrico superior. No entanto, em comparação com materiais à base de silício, os materiais absorvedores de luz de perovskita comumente usados apresentam desvantagens, comofaixa de resposta à luz insuficientemente ampla, sensibilidade à água e a alguns solventes e contendo chumbo metálico pesado. Portanto, encontrar materiais de perovskita comlacunas de banda mais estreitas, melhor estabilidade química e respeito ao meio ambienteé altamente significativo.
O desenvolvimento de células solares de película fina de perovskita originou-se decélulas solares sensibilizadas por corantes (DSSCs). Aproveitando tecnologias acumuladas nas últimas duas décadas em DSSCs, células solares orgânicas e outras, as células solares de perovskita desenvolveram-se rapidamente. As primeiras células solares de perovskita utilizadasCH₃NH₃PbI₃ para sensibilizar fotoanodos de TiO₂ e um eletrólito líquido I₃⁻/I⁻, alcançando uma eficiência de apenas3,8%(otimizado para 6,5%). No entanto, devido à instabilidade do CH₃NH₃PbI₃ no eletrólito líquido I₃⁻/I⁻, a estabilidade da célula era baixa, e a pesquisa nesta área é atualmente limitada. Substituir o eletrólito líquido I₃⁻/I⁻ por ummaterial de transporte de lacunas em estado sólido (HTM)(por exemplo, espiro-OMeTAD, P3HT) melhorou muito a eficiência celular, atingindo16%, superando a maior eficiência das células solares sensibilizadas por corante (13%) e demonstrando boa estabilidade.
Com base nisso,H. Snaith e outros.substituiu a camada de andaime porosa do semicondutor tipo n TiO₂ por um material isolante comoAl₂O₃ ou ZrO₂e células de filme fino montadas usando materiais de transporte de lacunas, também alcançando alta eficiência (a maior eficiência relatada foi de 15,9%). Este resultado indica que o próprio material de perovskita CH₃NH₃PbI₃ possui boa capacidade de condução de elétrons. Células solares de perovskita baseadas em camadas de andaimes de material isolante, em princípio, superaram o conceito tradicional de sensibilização, tornando-se umcélula solar de heterojunção superestruturada mesoscópica. Além disso, ao remover a camada isolante do andaime e usar uma película uniforme de perovskita de alta qualidade, umcélula de heterojunção planartambém pode atingir alta eficiência (a maior eficiência relatada é de 15,7%). Por outro lado, mesmo sem materiais de transporte de lacunas, uma célula de heterojunção formada entre perovskita e TiO₂ poroso atingiu uma eficiência de 10,5%. Nessa estrutura, semelhante às células solares de pontos quânticos coloidais, a perovskita desempenha duas funções: absorção de luz e transporte de lacunas. Além disso, o uso de material de perovskita como camada de absorção de luz em umestrutura de célula solar orgânica, com o derivado de fulereno PCBM como camada de transporte de elétrons e PEDOT:PSS como camada de transporte de lacunas, eficiências excedendo12%foram alcançados, superando os melhores resultados das células solares orgânicas/poliméricas tradicionais. Vale ressaltar que células solares de perovskita baseadas em estruturas de células solares orgânicas podem ser produzidasflexível e produzido rolo a rolo para produção em larga escala. Atualmente, essas células de perovskita flexíveis alcançaram uma alta eficiência de9,2%.
Figura: Estrutura de uma célula solar de perovskita.
O fato de que os materiais de perovskita podem atingir eficiências superiores10%nessas estruturas de células solares muito diferentes sugere que, em futuras aplicações práticas,múltiplas estruturas podem coexistir e competir. Ao mesmo tempo, pesquisas e a compreensão aprofundadas das propriedades fundamentais dos materiais e dos princípios de funcionamento das células são cruciais. Isso não só ajudará a melhorar ainda mais o desempenho das células solares de perovskita, como também fornecerá insights para o desenvolvimento de novas estruturas mais simples ou eficientes.
