Em um avanço significativo para a tecnologia fotovoltaica, pesquisadores da Helmholtz{0}}Zentrum Berlin (HZB) e da Humboldt{1}}Universität da Alemanha alcançaram um novo recorde mundial de eficiência de conversão de energia de 25,5% para uma célula solar tandem de perovskita-CIGS. Este marco, certificado pela European Solar Test Installation (ESTI), representa a maior eficiência já registrada para esta combinação específica de materiais e marca um grande avanço no desenvolvimento de tecnologias solares de película fina-.
A Arquitetura Tandem
Este dispositivo é capaz de atingir um recorde mundial de eficiência devido ao seu design utilizando uma célula superior (perovskita) e uma célula inferior (CIGS) que juntas constituem o que é conhecido como "estrutura tandem monolítica". Portanto, cada parte da célula absorve e converte energia solar em diferentes comprimentos de onda dentro do espectro solar-ou seja, a célula superior absorve luz de alta energia (ultravioleta); enquanto a célula inferior absorve luz de baixa energia (infravermelha). Como resultado desta estrutura, a parte superior da célula superior e a parte inferior da célula inferior absorverão diferentes partes do espectro solar com maior eficiência do que qualquer dispositivo único alcançaria por si só; criando assim um aumento na eficiência total quando os dois dispositivos trabalham juntos em um arranjo tandem.
Inovações técnicas por trás do avanço
Para alcançar esse recorde, os pesquisadores da HZB e da Humboldt-Universität otimizaram sistematicamente vários aspectos da arquitetura do dispositivo. Eles exploraram células inferiores baseadas em CIGS-com intervalos de banda cuidadosamente ajustados de 1,05 eV e 1,1 eV, juntamente com duas espessuras diferentes de camadas de óxido de zinco dopadas com alumínio-. Essa engenharia meticulosa de bandgap permitiu que eles combinassem melhor a geração atual entre as subcélulas superior e inferior,-um fator crítico no desempenho do dispositivo tandem.
A equipe também realizou uma extensa triagem de materiais da camada de transporte de furos, testando diversas combinações de óxido de níquel (NiOx) e monocamadas auto{0}}montadas (SAMs). Essas camadas de interface desempenham um papel crucial na extração de portadores de carga fotogerada e, ao mesmo tempo, suprimem as perdas de recombinação, -um mecanismo limitante primário de eficiência-em células solares. Ao identificar configurações ideais de interface, os pesquisadores conseguiram melhorar simultaneamente a seletividade de carga e minimizar as perdas de energia nos contatos.
Talvez o mais notável seja que a equipe refinou a formação de contato seletivo-de elétrons controlando com precisão a taxa de evaporação térmica inicial do buckminsterfulereno (C60) depositado em uma camada de passivação ultra-fina de fluoreto de lítio (LiF) de 1 nm. Esta abordagem sofisticada permitiu o que eles descreveram como uma "formação de interface mais controlada e melhor alinhamento eletrônico", demonstrando que a engenharia em nanoescala de camadas de contato pode produzir ganhos substanciais de desempenho.
Da célula de laboratório ao módulo prático
Embora a eficiência do registro tenha sido alcançada em um dispositivo de-área pequena de 1.081 cm², os pesquisadores demonstraram que suas otimizações poderiam ser traduzidas para formatos maiores. Utilizando uma pilha semelhante de materiais, eles fabricaram um mini-módulo com área de 2,25 cm² que alcançou uma eficiência de aproximadamente 19,7%. Embora isso represente uma queda significativa na eficiência das pequenas-células, fornece evidências encorajadoras de que a interface subjacente e as estratégias de contato podem ser dimensionadas além do ambiente de laboratório.
Um trampolim, não o destino final
Talvez o aspecto mais interessante deste anúncio seja o que ele sugere sobre o potencial futuro. O pesquisador do HZB, Guillermo Farias Basulto, observou que “a física subjacente à nossa atual arquitetura celular indica que 25,5% é apenas um marco inicial”. Testes-internos de projetos semelhantes já alcançaram eficiências de até 27,5%, o que implica que o conceito fundamental do dispositivo ainda tem um potencial considerável inexplorado.
A pesquisa foi conduzida como parte do projeto "SOLMATES", uma iniciativa-financiada pela UE e liderada pelo HZB para explorar a integração de tecnologias CIGS e perovskita. O recorde anterior do HZB ao abrigo deste programa era de 24,6%, tornando o salto para 25,5% um passo em frente significativo, embora incremental.
Implicações para a indústria solar
Essa conquista tem um significado importante para a indústria de células solares. Uma célula de filme-fino CIGS terá diversas vantagens em relação às células solares-de filme fino convencionais, como ser flexível, ter bom desempenho em condições parcialmente iluminadas e ter baixos custos de fabricação. Ao combinar as vantagens das células CIGS com as vantagens das células de perovskita, as células CIGS têm potencial para serem utilizadas em novas aplicações em eletrônica flexível e BIPV, onde as células de silício não podem ser utilizadas.
Os resultados do estudo também indicam que os tandems CIGS de perovskita-são competitivos com sistemas tandem-baseados em silício. Além de poderem ser fabricados apenas com uma película fina, também podem ser fabricados com menos de um micrômetro de material. Seu design ultra{4}}leve e flexível proporcionará novas oportunidades para seu uso na criação de-soluções integradas ou aplicativos eletrônicos portáteis.
A estrada à frente
Embora 25,5% seja uma conquista digna de nota, o limite teórico de eficiência para tandens de perovskita-CIGS excede 30%. A lacuna entre o registo actual e este limite teórico sugere que melhorias substanciais continuam a ser possíveis através da optimização contínua da qualidade dos materiais, da engenharia de interface e da gestão óptica. A abordagem sistemática da equipe alemã-que explora vários bandgaps, combinações de camadas de transporte e estratégias de engenharia de contato-fornece um modelo metodológico para esforços futuros.
À medida que a indústria solar global continua a sua rápida expansão, as inovações na tecnologia de células tandem desempenharão um papel cada vez mais importante na redução do custo da electricidade solar. A conquista de 25,5% de eficiência pelos pesquisadores alemães para conjuntos de perovskita-CIGS representa não apenas um novo recorde mundial, mas uma demonstração do extraordinário potencial que existe na interseção desses dois sistemas materiais notáveis. Com-resultados internos já sugerindo que 27,5% estão ao alcance e com o limite teórico ainda muito mais alto, a jornada em direção à eficiência solar verdadeiramente transformadora está longe de terminar.
