Descoberta de um novo conceito em energia fotovoltaica que explora a capacidade dos materiais de existir em diferentes fases cristalinas

Uma equipe de pesquisadores do Centro de Física Integrada e Materiais Fotônicos da Universidade de Tecnologia de Dresden e do Centro de Eletrônica Avançada de Dresden demonstrou um novo conceito de célula solar que explora a capacidade dos materiais de existirem em diferentes fases cristalinas. A pesquisa relacionada já foi publicada na revista Nature Energy.

O objetivo de uma célula fotovoltaica é converter a luz solar em eletricidade. Ao absorver a luz solar, são gerados pares de portadores de carga, que precisam ser direcionados para lados opostos do diodo fotovoltaico para gerar uma corrente elétrica. Para facilitar esse processo, a maioria das células solares inclui uma heterojunção que fornece uma paisagem de energia favorável para conduzir a separação de carga.

Por exemplo, as células solares de silício formam heterojunções dopando eletricamente cada lado do dispositivo, resultando em uma junção pn. As células solares orgânicas, por outro lado, dependem da mistura de diferentes tipos de materiais (doadores e receptores) para formar heterojunções em massa. No entanto, esses conceitos geralmente não são aplicáveis ​​a classes emergentes de novos materiais fotovoltaicos.

A equipe de pesquisa do projeto demonstrou agora um novo conceito para a formação de heterojunções fotovoltaicas. Para fazer isso, os pesquisadores aproveitaram o fato de que os materiais podem existir em diferentes formas estruturais, chamadas de fases cristalinas.

Esse fenômeno, conhecido como polimorfismo, significa que um mesmo material pode exibir diferentes propriedades dependendo do arranjo específico de átomos e moléculas em sua estrutura. Ao ligar duas fases cristalinas do mesmo material, os pesquisadores demonstraram pela primeira vez a formação de uma célula solar de heterojunção. Especificamente, os pesquisadores escolheram um calcogeneto de chumbo de iodeto de césio - um eficiente material absorvedor de células solares nas fases beta e gama - para seu novo conceito.

Os pesquisadores explicaram: "As propriedades ópticas e eletrônicas do iodeto de chumbo de césio nas fases e diferem umas das outras e, colocando o calcogeneto sobre o calcogeneto, fomos capazes de criar uma célula solar de heterojunção de fase que é significativamente mais eficiente do que a solar células baseadas em calcogeneto monofásico." Em seu estudo, os pesquisadores mostraram que a camada superior da fase afeta o desempenho da célula solar de várias maneiras.

A análise espectroscópica avançada mostrou que o desempenho aprimorado estava associado ao aumento da absorção de luz e à formação de um alinhamento de energia favorável entre as duas fases, disseram os pesquisadores.

É importante ressaltar que os pesquisadores confirmaram que a heterojunção de fase permaneceu estável durante a operação da célula solar e até suprimiu a migração de íons no absorvedor da célula solar, resolvendo um problema comum com materiais calcogenetos.

Para realizar o conceito de heterojunção de fase, os pesquisadores usaram dois processos de fabricação diferentes para as camadas superior e inferior. Os pesquisadores esperam que esse novo conceito, combinado com uma rota de fabricação simples para heterojunções de fase, também seja aplicável a uma ampla gama de sistemas de materiais em uma variedade de dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos.

Como muitas classes de semicondutores exibem polimorfismo, esse conceito pode abrir caminho para aplicações totalmente novas baseadas em heterojunções de fase, que podem ser feitas de um único material usando um processo de fabricação simples e barato.