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Estado de desenvolvimento e tendências dos novos materiais de células solares
I. Células solares de perovskita
Características e vantagens do material
Os materiais de perovskita têm um elevado coeficiente de absorção, um longo comprimento de difusão do portador e uma baixa taxa de recombinação não radiativa, e a eficiência laboratorial ultrapassou 30%17.O seu processo de preparação é simples (método de solução ou deposição a vapor), o custo é menor do que o das células de silício cristalino, e o intervalo de banda (1,2 a 2,3 eV) pode ser ajustado por componentes, o que é adequado para o projeto de empilhamento multi-junção.

Avanço da aplicação:A equipe do Instituto de Tecnologia de Pequim resolveu o problema da película de perovskita de banda larga desigual adicionando alquilaminas de cadeia longa e preparou um protótipo de célula de empilhamento de alta eficiência.
Desafios e orientações de melhoria
Estabilidade: é facilmente afetado pela humidade, luz ultravioleta e temperatura,e a vida útil deve ser melhorada através da passivação de interfaces e da tecnologia de embalagem (como embalagens de vidro/polímero).
Protecção do ambiente: as perovskitas à base de chumbo são tóxicas e a investigação tem-se voltado para as perovskitas sem chumbo (tais como as à base de césio e estanho) 16.
Propriedades e aplicações dos materiais
Os materiais orgânicos (tais como polímeros e pequenas moléculas) são leves, flexíveis e processáveis em solução, tornando-os adequados para a preparação de dispositivos transparentes/flexíveis.A célula solar orgânica de eletrodos de grafeno desenvolvida pelo MIT tem uma elevada condutividade e transparência óptica e pode ser fixada a janelas e superfícies de automóveis.

Progresso da eficiência: a eficiência do laboratório atinge 19%, mas a eficiência diminui significativamente quando é preparada em grande escala.
Optimização técnica
Engenharia de interfaces: otimizar a correspondência de materiais doadores e aceitadores através do design molecular para melhorar a mobilidade do portador.
Estrutura do dispositivo: células solares orgânicas invertidas (aceitadores ITIC) podem reduzir a perda de energia6.
3Células solares sensibilizadas por corantes (DSSC)
Principais vantagens
Usando camadas sensibilizadas por corantes (como complexos de rutênio), semicondutores de dióxido de titânio e eletrólitos de iodo, pode funcionar em luz fraca e é de baixo custo e ecológico.

Direcção da inovação: os corantes de ponto quântico (como o sulfeto de chumbo) podem alargar a gama de absorção espectral e aumentar a eficiência até 12%.
Desafios
O eletrólito é propenso a fugas e é necessário desenvolver alternativas sólidas6.

IV. Outros materiais de ponta
Células solares nanocristalinas
Os materiais nanocristalinos (como pontos quânticos) têm uma elevada eficiência quântica, com uma eficiência teórica superior a 30%, mas o problema dos defeitos de interface de grãos precisa ser resolvido.

Células em camadas e multi-junção

Perovskita/laminato de silício cristalino: a eficiência teórica excede 30%, o silício cristalino absorve luz de ondas longas e a perovskita capta luz de ondas curtas.

Célula de junção tripla: a estrutura GaInP/GaAs/Ge tem uma eficiência de 33%, adequada para a indústria aeroespacial.

Novos materiais quânticos.
O material de "estado de banda intermediária" desenvolvido pela Universidade de Lehigh alcança 190% de eficiência quântica externa através da intercalação de cobre, quebrando o limite teórico de Shockley-Queisser.

V. Tendências e desafios futuros
Direcção técnica

Leve e flexível: Desenvolver materiais fotovoltaicos portáteis e integrados em edifícios (como vidro e azulejos fotovoltaicos transparentes).

Proteção do ambiente e baixo custo: promover perovskitas sem chumbo e materiais orgânicos de base biológica.
O gargalo industrial

Produção em grande escala: necessidade de resolver o problema da atenuação da eficiência durante a preparação em grande escala (como o processo de impressão de perovskita).
Verificação da estabilidade: é necessário passar no ensaio padrão IEC (como envelhecimento térmico/luz)