Um avanço significativo na tecnologia de energia solar foi alcançado por uma equipe de pesquisa liderada por cientistas da Universidade de Nanjing, na China. O grupo desenvolveu uma estratégia inovadora para melhorar a eficiência e a estabilidade de células solares tandem de perovskita-silício, que são construídas sobre silício texturizado industrial. Esta nova abordagem resultou em uma célula com impressionante eficiência certificada de 30,77% e uma notável estabilidade, mantendo o desempenho inicial após 3.400 horas de iluminação contínua.
O silício texturizado é um componente fundamental para células tandem de perovskita-silício, pois suas micro-pirâmides na superfície reduzem a reflexão e aprimoram a captação de luz, aumentando a quantidade de energia solar disponível para conversão. Embora amplamente utilizado em células solares de silício cristalino industriais, a superfície irregular do silício texturizado apresenta desafios para a deposição uniforme e sem defeitos das camadas de perovskita. Superar essa dificuldade é um passo crucial para combinar as altas eficiências das células tandem com os processos de fabricação de células de silício já estabelecidos na indústria.
Estratégia de Intervenção Curativa Aumenta Eficiência
Para enfrentar o desafio da cobertura não uniforme da perovskita em silício texturizado, os pesquisadores aplicaram uma solução de tiocianato de metilamônio (MASCN) ao filme de perovskita após sua formação. Este tratamento promoveu um crescimento cristalino adicional, ao mesmo tempo em que manteve uma cobertura conforme à superfície texturizada do silício. Essa técnica, descrita como uma “estratégia de intervenção curativa”, permitiu a formação de filmes de perovskita de alta qualidade com mínima formação de contornos de grão, baixas densidades de defeitos e estabilidade excepcional em diversos substratos, por meio de um processo de Ostwald ripening (amadurecimento de Ostwald, um processo termodinâmico de crescimento de cristais).
“Empregamos uma estratégia de intervenção curativa para células superiores de perovskita, na qual uma solução de MASCN é aplicada aos filmes recém-preparados para obter uma cobertura conforme em silício texturizado”, explicaram os cientistas. “Esta abordagem permite a formação de filmes de perovskita de alta qualidade com contornos de grão mínimos, baixas densidades de defeitos e estabilidade excepcional em vários substratos através de um processo de Ostwald ripening.”
A pesquisa foi detalhada no artigo “Healing intervention for improving the efficiency and stability of tandem devices on industrial textured silicon” (Intervenção curativa para melhorar a eficiência e a estabilidade de dispositivos tandem em silício texturizado industrial), publicado na revista Nature Communications. A equipe de pesquisa incluiu cientistas da Universidade de Nanjing (China), Renshine Solar (Suzhou, China), Centro de Inovação Provincial de Zhejiang para Tecnologia de Equipamentos Inteligentes a Laser (China), Universidade de Yunnan (China) e Universidade de Uppsala (Suécia), destacando a colaboração internacional no desenvolvimento desta tecnologia.
Detalhes Técnicos da Construção da Célula
Os pesquisadores utilizaram wafers de silício tipo n texturizados em ambos os lados, cortando os wafers de 4 polegadas em substratos de 2,5 cm × 2,5 cm. Para formar a célula inferior de silício, foram depositadas camadas de silício amorfo hidrogenado e óxido de índio e estanho (ITO). Em seguida, iodeto de chumbo e brometo de césio foram co-evaporados termicamente na superfície frontal texturizada. Posteriormente, iodeto de formamidínio e brometo de formamidínio foram aplicados por spin-coating para formar a célula superior de perovskita.
Para os dispositivos tratados, o MASCN foi aplicado ao filme de perovskita recém-formado para promover o crescimento cristalino. Os dispositivos foram então aquecidos a 90 °C em atmosfera de nitrogênio e recozidos a 150 °C em ar. Em seguida, foi aplicado um tratamento de passivação e depositadas uma camada de transporte de elétrons de C60, óxido de estanho, um eletrodo transparente de óxido de índio e zinco (IZO), contatos de prata e um revestimento antirreflexo de fluoreto de magnésio.
A célula tandem foi construída com os seguintes componentes:
- Contato traseiro de prata (Ag)
- Camada de óxido de índio e estanho (ITO)
- Célula inferior de silício
- Outra camada de óxido de índio e estanho (ITO)
- Camada de transporte de lacunas de óxido de níquel (NiOx)
- Monocamada auto-montada (SAM)
- Absorvedor de perovskita de banda larga (WBG)
- Camada de transporte de elétrons de fulereno (C60)
- Camada de buffer de óxido de estanho (SnO2)
- Eletrodo transparente de óxido de índio e zinco (IZO)
- Contatos de prata
- Revestimento antirreflexo de fluoreto de magnésio (MgF2)
Avaliação e Desempenho Excepcional
Para avaliar o desempenho e a estrutura dos filmes, os pesquisadores empregaram diversas técnicas. Microscopia eletrônica de varredura foi utilizada para examinar a cobertura do filme e a estrutura dos grãos, enquanto medições de raios-X avaliaram a cristalinidade e a orientação cristalina. Além disso, medições de fotoluminescência e elétricas foram realizadas para investigar a recombinação de carga e as interfaces do filme.
A equipe comparou o desempenho elétrico de células tratadas e não tratadas (controle), mediu a resposta espectral de cada subcélula tandem, obteve certificação independente para o dispositivo de melhor desempenho e testou uma célula encapsulada sob iluminação contínua por 3.400 horas.
“As células solares de perovskita de banda larga de 1,68 eV resultantes alcançam uma eficiência campeã de 21,1%, contribuindo para uma eficiência tandem estabilizada certificada de 30,77% e uma impressionante voltagem de circuito aberto de 1,915 V sobre uma área ativa de 1,164 cm²”, afirmaram os pesquisadores. “Notavelmente, um dispositivo encapsulado mantém seu desempenho inicial após 3.400 horas de rastreamento contínuo do ponto de potência máxima sob iluminação de um sol em condições ambientes, representando a excelente estabilidade em células tandem de perovskita/silício relatada até hoje.”
Os acadêmicos concluíram que o estudo apresenta uma técnica eficaz para aprimorar a qualidade dos filmes de perovskita fabricados por um método de deposição híbrido de duas etapas, abordando assim a limitação de eficiência induzida pela perda de fotovoltagem em células solares tandem baseadas em silício industrial.
O que isso significa para a região
A pesquisa representa um passo significativo para a produção em massa de células solares mais eficientes e duráveis. A capacidade de integrar a tecnologia de perovskita em silício texturizado industrialmente viável pode acelerar a adoção de painéis solares de alta performance. Para o Norte Pioneiro do Paraná, uma região com grande potencial para a energia solar, a disponibilidade de tecnologias mais eficientes e estáveis pode significar uma redução ainda maior nos custos de energia a longo prazo para residências, empresas e produtores rurais. A LZ7 Energia acompanha de perto esses avanços, buscando sempre as melhores soluções para seus clientes.
Leitura da LZ7 Energia
Este avanço na tecnologia de células solares tandem, com uma eficiência recorde de 30,77% e estabilidade prolongada, tem implicações diretas e muito positivas para o mercado de energia solar no Brasil, incluindo o Norte Pioneiro do Paraná. A capacidade de produzir células mais eficientes e duráveis a partir de processos industriais já existentes pode levar a uma redução nos custos de fabricação e, consequentemente, a sistemas fotovoltaicos mais acessíveis. Para os consumidores da região, isso significa um retorno sobre o investimento mais rápido e uma economia ainda maior na conta de luz, incentivando a transição para a energia solar. A maior estabilidade das células também se traduz em sistemas com vida útil mais longa e menor necessidade de manutenção, garantindo um fornecimento de energia mais confiável e sustentável para residências, comércios e propriedades rurais. A LZ7 Energia está atenta a essas inovações para continuar oferecendo soluções de ponta que maximizem os benefícios da energia solar para a comunidade local.
Fonte: PV Magazine — Solar global — matéria original publicada em pv-magazine.com. Imagens e vídeos: PV Magazine — Solar global. Texto apurado e reescrito pela redação da LZ7 Energia.