A energia photo voltaic barata é um componente crítico de uma economia de energia de baixo carbono para reduzir ou reverter os efeitos das mudanças climáticas antropogênicas. No entanto, o limite teórico de eficiência de ~ 33% para células solares de junção única com uma camada de absorvedor também impõe um limite ao poder específico de tais dispositivos. Um método comprovado para superar esse limite é o uso de células solares multijunção com duas ou mais camadas de absorvedor com diferentes bandGAPs que são ativos em partes complementares do espectro photo voltaic. Conseguir que o uso de materiais baratos e processos de revestimento de baixo custo reduz ainda mais o custo de energia nivelado para essas tecnologias e permite a adoção mais rápida e generalizada em sistemas de energia.
O campo de semicondutores de perovskita de halídeo misto processados por solução vem se desenvolvendo há mais de uma década para conseguir isso. Aqui, materiais com uma composição nominal ABX3 (A é um cátion como o metilamônio (MA+), formamidinium (fa+), B é um cátion steel como chumbo (PB2+) e x é um ânion como iodeto (i–) ou brometo (BR–)) são preparados usando métodos como revestimento de rotação para fabricar células solares de alta eficiência que estão competindo com a fotovoltaica baseada em silício de última geração. A razão halogenesa (iodeto/bromida) pode ser ajustada para acessar as bandGAPs de 1,5 eV a 2,3 eV, e a faixa de bandGAP de 1,9 a 2,0 eV é ultimate para a sub-célula superior/frontal em dispositivos multijunção com três camadas de absorvedor, conhecidas como junções triplas.
No entanto, à medida que a composição de perovskita se torna cada vez mais complexa, começa a afetar as propriedades do filme que dificultam a fabricação e a reprodução desses dispositivos. Em explicit, e o foco primário deste estudo, a superfície do filme é as rugas e forma grandes picos e vales do tamanho de micrômetros com alto teor de brometo necessário para atingir o intervalo de banda de 1,9 a 2,0 eV. Esta é uma observação cada vez mais comum e dificulta o processo de revestimento e a otimização de dispositivos. Além disso, outras camadas finas processadas pela solução, como superfícies interfaciais e camadas de transporte de carga, não podem ser processadas de forma conformada nessas morfologias ásperas, reduzindo o desempenho geral e o rendimento dos dispositivos.
Fig. 1 | Imagem de microscopia eletrônica de varredura superior (esquerda) e mapa de fotoluminescência hiperespectral (direita) de FA0,25MA0,75Pb (i0,50Br0,50)3 filme de perovskite
Encontramos esses desafios em 2021, enquanto desenvolvemos composições e receitas para perovskitas de banda larga para junções triplas e percebemos que o comportamento enrugado tinha uma forte dependência da composição de perovskita. Em explicit, à medida que a razão MA/FA e/ou a proporção BR/I aumentavam, as rugas aumentaram e a superfície do filme de perovskita se tornou mais áspera. A morfologia tornou -se visualmente interessante, com longas redes de sulcos se desenvolvendo na superfície do filme (Fig. 1), mas o impacto no desempenho do dispositivo foi significativo. Também percebemos que a composição do filme period o determinante mais forte nesse comportamento, uma vez que outras variáveis de processamento (por exemplo, composição de solvente, anti -coletor, condições de recozimento, substrato) tiveram um efeito insignificante na morfologia.
No verão de 2022, a Gordon Analysis Convention (GRC) sobre semicondutores não convencionais e suas aplicações (Ventura, EUA) proporcionou uma oportunidade para estudar ainda mais esses materiais. Aqui, uma colaboração foi eliminada com pesquisadores da Universidade de Washington (Seattle, EUA), especializados no uso da microscopia de fotoluminescência hiperespectral e técnicas de mapeamento de espectrometria de massa de íons secundárias no tempo de voo para estudar as propriedades da composição do materials native e as propriedades ópticas. Com base nas medições preliminares da microscopia transversal, tivemos um palpite de que as composições locais poderiam ser diferentes nos picos e vales, e essas medidas ajudaram a provar sistematicamente, mostrando uma diminuição native de bandGAP que se assemelhava à rede de cumes (Fig. 1).
Mais tarde naquele ano, a MRS Fall Assembly (Boston, EUA) ofereceu uma segunda oportunidade de envolver outros especialistas neste estudo. Brand começamos a colaborar com pesquisadores da Georgia Tech (Atlanta, EUA), Brookhaven Nationwide Lab (Upton, EUA) e no Argonne Nationwide Lab (Lemont, EUA) para estudar a composição e a estrutura native desses filmes. Usando o mapeamento de fluorescência de raios-X na fonte avançada de fótons, descobrimos que regiões de pico em filmes enrugados correspondiam a um aumento native no conteúdo do iodeto, o que concordou com a distribuição de bandGAP observada na Universidade de Washington. Também descobrimos que os filmes enrugados mostraram uma orientação preferencial mais forte dos cristalitos que mais tarde demonstraram ter ambientado no início do processo de cristalização através da caracterização estrutural in situ realizada na fonte de luz avançada (Berkeley, EUA). Isso pode ser comparado com filmes mais suaves, onde a orientação preferencial estava ausente. Concluímos, portanto, que, em amostras ásperas com morfologia enrugada, uma perovskita rica em brometo precipitaria primeiro devido à baixa solubilidade de precursores à base de brometo, mostrando uma orientação preferencial característica. Isto foi seguido pela cristalização da fase de perovskita contendo iodeto. O ambiente rico em MA acelerou ainda mais esse processo em algumas composições.
Finalmente, usando uma combinação de fotoluminescência e mapeamento de espectrometria de massa e espectroscopia de fotocorrente sensível, associamos esses efeitos composicionais e morfológicos a propriedades como densidade de defeitos e migração de íons. Tomados em conjunto, a combinação de métodos avançados de caracterização estrutural e composicional baseados em síncrotron, combinados com a fotoluminescência e a espectroscopia de fotocorrentes, nos ajudou a relacionar a evolução estrutural com a composição native, morfologia, propriedades ópticas e impacto no comportamento do dispositivo. Ajustar a cristalização de diferentes espécies contendo halogeneto é, portanto, crítica para a homogeneidade composicional e pode ajudar a controlar o comportamento de rugas para permitir células solares multijunção de alta eficiência.
Além de seu valor científico, também esperamos que este trabalho destace os méritos da pesquisa colaborativa para responder a perguntas experimentais complexas e a maneira extraordinária de as reuniões de pesquisa fornecer espaços para desenvolver redes pessoais que o permitem. As conferências GRC e MRS foram entre as primeiras grandes conferências pós-Covid que nos permitiram viajar pelo Atlântico. E a explosão de energia pós-pandêmica fresca após a pausa de dois anos certamente desempenhou seu papel nessa história.
Para mais informações, leia o papel completo publicado na Nature Communications.
