As células solares de perovskita progrediram nos últimos anos com rápidos aumentos na eficiência de conversão de energia (de 3% em 2006 para 25.5% hoje), tornando-as mais competitivas com as células fotovoltaicas à base de silício. No entanto, subsistem vários desafios antes de se tornarem um mercado comercial competitivo. tecnologia.
Agora, uma equipe da Escola de Engenharia Tandon da NYU desenvolveu um processo para resolver um deles, um gargalo em uma etapa crítica envolvendo dopagem do tipo p de materiais orgânicos de transporte de buracos dentro das células fotovoltaicas. A pesquisa, “CO2 dopagem de camadas intermediárias orgânicas para células solares de perovskita ”, aparece em Natureza.
Atualmente, o processo de dopagem p, obtido pela entrada e difusão de oxigênio na camada de transporte do orifício, é demorado (várias horas por dia), tornando a produção comercial em massa de células solares de perovskita impraticável.
A equipe Tandon, liderada por André D. Taylor, um professor associado, e Jaemin Kong, um associado de pós-doutorado, juntamente com Miguel Modestino, professor assistente - todos no Departamento de Engenharia Química e Biomolecular - descobriram um método para aumentar enormemente a velocidade desta etapa chave através do uso de dióxido de carbono (CO2) em vez de oxigênio.
Em células solares de perovskita, semicondutores orgânicos dopados são normalmente necessários como camadas intermediárias de extração de carga situadas entre a camada de perovskita fotoativa e os eletrodos. Os meios convencionais de dopagem dessas camadas intermediárias envolvem a adição de bis (trifluorometano) sulfonimida de lítio (LiTFSI), um sal de lítio, a spiro-OMeTAD, um orgânico conjugado a π Semicondutores amplamente utilizado para um material de transporte de buraco em células solares de perovskita. O processo de dopagem é então iniciado pela exposição de filmes de mistura spiro-OMeTAD: LiTFSI ao ar e à luz.
Este método não é apenas demorado, mas também depende muito das condições ambientais. Por outro lado, Taylor e sua equipe relataram um método de dopagem rápido e reproduzível que envolve borbulhar um spiro-OMeTAD: solução LiTFSI com CO2 sob luz ultravioleta. Eles descobriram que seu processo aumentou rapidamente a condutividade elétrica da camada intermediária em 100 vezes em comparação com a de um filme de mistura original, que também é aproximadamente 10 vezes maior do que a obtida a partir de um processo de borbulhamento de oxigênio. O CO2 o filme tratado também resultou em células solares de perovskita estáveis e de alta eficiência, sem qualquer pós-tratamento.
“Além de reduzir o tempo de fabricação e processamento do dispositivo, a aplicação do spiro-OMeTAD pré-dopado em células solares de perovskita torna as células muito mais estáveis”, explicou Kong, o autor principal. “Isso é em parte porque a maioria dos íons de lítio prejudiciais na solução spiro-OMeTAD: LiTFSI foram estabilizados como carbonatos de lítio durante o CO2 processo de borbulhamento. ”
Ele acrescentou que os carbonatos de lítio acabam sendo filtrados quando os investigadores espalham a solução pré-dopada na camada de perovskita. “Assim, podemos obter materiais orgânicos dopados razoavelmente puros para camadas de transporte de poços eficientes.”
A equipe, que incluiu pesquisadores da Samsung, da Universidade de Yale, do Instituto de Pesquisa de Tecnologia Química da Coréia, do Centro de Pós-Graduação da Universidade da Cidade, da Universidade de Wonkwang e do Instituto de Ciência e Tecnologia de Gwangju, também descobriu que o CO2 o método de dopagem pode ser usado para dopagem do tipo p de outros polímeros conjugados com π, como PTAA, MEH-PPV, P3HT e PBDB-T. De acordo com Taylor, os pesquisadores estão procurando ultrapassar os limites dos semicondutores orgânicos típicos usados para células solares.
“Acreditamos na ampla aplicabilidade do CO2 o doping para várias moléculas orgânicas conjugadas com π estimula pesquisas que vão desde células solares orgânicas a diodos emissores de luz orgânicos (OLEDs) e transistores de efeito de campo orgânico (OFETs), até mesmo dispositivos termoelétricos que requerem dopagem controlada de semicondutores orgânicos ”, explicou Taylor. , acrescentando que, uma vez que este processo consome uma grande quantidade de CO2 gás, também pode ser considerado para CO2 estudos de captura e sequestro no futuro.
“Em um momento em que governos e empresas estão agora procurando reduzir o CO2 emissões, se não para descarbonizar, esta pesquisa oferece uma via para a reação de grandes quantidades de CO2 em carbonato de lítio para melhorar as células solares de próxima geração, ao mesmo tempo em que remove esse gás de efeito estufa da atmosfera ”, explicou ele, acrescentando que a ideia para essa nova abordagem foi uma visão contraintuitiva da pesquisa da equipe de baterias.
“De nossa longa história de trabalho com baterias de lítio-oxigênio / ar, sabemos que a formação de carbonato de lítio a partir da exposição de eletrodos de oxigênio ao ar é um grande desafio porque esgota a bateria de íons de lítio, o que destrói a capacidade da bateria. Nesta reação de espiro dopagem, no entanto, estamos realmente explorando a formação de carbonato de lítio, que se liga ao lítio e evita que ele se torne íons móveis prejudiciais à estabilidade a longo prazo do perovskita célula solar. Esperamos que este CO2 técnica de dopagem pode ser um trampolim para superar os desafios existentes na eletrônica orgânica e além. ”