Desenvolvimento de células solares de perovskita baseadas em filmes de óxidos nanoestruturados

Abstract

O desenvolvimento das células solares de perovskita foi acompanhado por uma revolução no campo dos dispositivos fotovoltaicos. Células solares de perovskita atingiram eficiências de conversão de energia maiores que 21% em apenas 5 anos após sua descoberta, colocando-as em competição com as células solares comerciais de silício. Apesar de promissores, os dispositivos de perovskita enfrentam desafios que impedem sua comercialização, sendo o maior deles o problema de estabilidade. Nesse âmbito, a presente tese teve como principal foco o desenvolvimento de células solares de perovskita baseadas em filmes nanoestruturados de Nb2O5 e TiO2, visando melhor compreensão do funcionamento desses dispositivos afim de se obter a solução dos problemas hoje enfrentados. Os resultados obtidos mostram eficiências maiores que 13% para o sistema: filme compacto de Nb2O5/ filme mesoporoso de TiO2/ CH3NH3PbI3; e eficiências tão elevadas quanto 15% para sistema usando filme compacto e mesoporoso de TiO2/ CH3NH3PbI3. As melhores células solares montadas com filmes compactos de Nb2O5 apresentaram correntes de curto circuito de 19 mA/cm2, tensão de circuito aberto de 960 mV, fator de preenchimento de 75% e eficiências de 13%. Para as células formadas com filmes de compactos de TiO2 foram obtidas correntes de curto circuito de 20 mA/cm2, tensão de circuito aberto de 1V, fator de preenchimento de 70% e eficiências de 15%. A estabilidade dos dispositivos e a presença de histerese nas curvas de tensão-corrente foram estudadas variando parâmetros como a composição da camada compacta (TiO2 versus Nb2O5), a espessura dessa camada; assim como o método de síntese utilizado para preparar os filmes de perovskitas (método de deposição sequencial versus método de engenharia dos solventes). De maneira geral, os resultados mostraram que células solares preparadas com filmes de Nb2O5 de 50 nm em conjunto com perovskitas preparada pelo método de deposição sequencial resultaram em dispositivos sem histerese e com maior estabilidade do que os preparados com filmes de TiO2 ou mais espessos que 50nm.

The development of perovskite solar cells was accompanied by a revolution in the photovoltaics field. Perovskite solar cells have reached higher energy conversion efficiencies of 21% in just 5 years after its discovery, putting them in competition with commercial silicon solar cells. Although promising, the perovskite devices face some challenges which delay their commercialization, and one of most important is the stability. In this context, the present thesis intended the development of perovskite solar cells based on nanostructured films of Nb2O5 and TiO2, in order to better understand the functioning of these devices. Efficiencies up to 13% were obtained for the system composed of: compact Nb2O5 / mesoporous TiO2/ CH3NH3PbI3 and efficiencies as high as 15% for compact system using compact TiO2/ mesoporous TiO2/ CH3NH3PbI3. The best solar cells prepared using compact Nb2O5 films showed a short circuit current of 19 mA/cm 2 , open circuit voltage of 900 mV, fill factor of 75% and 13% of efficiency. Devices prepared using compact TiO2 films reached short circuit current of 20 mA/cm2 , open circuit voltage of 1V, fill factor of 70% and 15% of efficiency. The stability of the devices and the presence of current-voltage hysteresis were studied by changing parameters such as the composition and the thickness of the compact layer (TiO2 vs. Nb2O5), as well as the synthesis method used to prepare the perovskite films (sequential deposition method vs solvent-engineering method). Overall, the results showed that solar cells prepared with 50 nm Nb2O5 film in combination with perovskite prepared by sequential deposition method have resulted in devices without hysteresis and greater stability than those prepared with TiO2 films or thicker than 50nm.