Novo método de crescimento cristalino reduz defeitos em células solares e LEDs

Um grupo de pesquisadores liderado pelo professor Seong Sik Shin, da SKKU Advanced Institute of Nanotechnology (SAINT) da Universidade Sungkyunkwan (SKKU), em colaboração internacional com a Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT), a University of California, San Diego, e a Princeton University, desenvolveu um novo método de crescimento cristalino que reduz drasticamente os defeitos em filmes perovskitas.

Os filmes perovskitas têm sido objeto de atenção crescente devido à sua baixa custo de fabricação e processamento relativamente simples. Eles podem ser usados tanto em células solares quanto em LEDs. No entanto, quando uma solução precursora líquida é solidificada em um filme fino, cristais microscópicos formam-se e se unem, criando muitos defeitos nas bordas e superfícies dos cristais.

O método proposto envolve o fenômeno eutético, onde a temperatura de fusão de uma mistura se torna substancialmente menor que a de seus componentes individuais. Os pesquisadores combinaram dois materiais com altas temperaturas de fusão, metilamônio cloreto (MACl) e um halogênio de zinco (ZnX₂), resultando em uma mistura que começa a derreter a uma temperatura muito mais baixa.

Quando o filme perovskita foi suavemente aquecido a cerca de 100°C, a mistura localizada nas bordas dos cristais transformou-se em uma camada fina de líquido. Em estado líquido, átomos podem difundir aproximadamente 10.000 vezes mais rápido do que em um sólido, permitindo que pequenos cristais se mesclam rapidamente e cresçam em maiores, cristais mais limpos com menos defeitos. O MACl facilita o crescimento cristalino e evapora durante o aquecimento, enquanto o zinco restante se segrega nas bordas dos cristais e auxilia na supressão de defeitos.

A qualidade dos filmes resultantes demonstrou o nível mais alto de qualidade relatado até agora para filmes perovskitas. A vida útil dos carregadores de carga chegou a aproximadamente 295 μs, entre os maiores já relatados, enquanto a velocidade de recombinação superficial, que indica as perdas de carregadores causadas por defeitos superficiais, foi reduzida a 0,3 cm/s, o valor mais baixo relatado para perovskitas halogênicas de zinco.

Células solares fabricadas usando esses novos filmes alcançaram uma eficiência de conversão de energia de 26,5% (certificado 25,9%), juntamente com uma tensão aberta de 1,208 V, um recorde certificado para células solares com a mesma arquitetura n-i-p. Um LED com a mesma arquitetura de dispositivo alcançou uma eficiência quântica externa de 26,1%, demonstrando que uma única estrutura de dispositivo pode funcionar tanto como um dispositivo gerador de energia que absorve luz quanto como um dispositivo emissor de luz.