Cientistas fazem a primeira tentativa de projetar células solares baseadas em Kusachita

Cientistas do Instituto Indiano de Tecnologia Indore propuseram uma nova maneira de fabricar células solares de película fina com base em kusachita (CuBi2O4), um óxido binário extremamente raro de cobre(II) e bismuto(III) que foi descoberto recentemente na prefeitura de Okayama (Japão).

“Existem dois relatórios anteriores sobre o uso da Kusachita como coletor de luz”, disse o pesquisador Vishesh Manjunath à pv magazine. “No primeiro relatório, o CuBi2O4 é sensibilizado sobre fotoanodos para fabricar células solares sensibilizadas por corante e, no segundo, o coletor de luz CuBi2O4 é modelado com uma arquitetura de dispositivo complexa. No entanto, pela primeira vez, modelamos células solares de kusachita semelhantes à arquitetura mais simples do dispositivo de célula solar de perovskita”.

Segundo ele, o custo das células solares kusachita pode ser muito menor do que o das células convencionais de silício cristalino, devido aos protocolos de síntese bem estabelecidos para CuBi2O4.

“A síntese de várias nanoestruturas de CuBi2O4 está bem estabelecida”, disse ele. “No entanto, a síntese de filmes finos de CuBi2O4 com baixa densidade de defeitos precisa ser experimentada, e o melhor e mais econômico processo pode ser ampliado para produzir células solares kusachita”.

Os pesquisadores projetaram a célula com um substrato de vidro de óxido de estanho dopado com flúor (FTO), diferentes tipos de camadas tampão, um absorvedor de CuBi2O4 e um contato de metal à base de ouro (Au). Por meio de uma série de simulações, eles avaliaram esse projeto com base na variação de espessura, defeito aceitador/doador e densidade de dopagem das camadas finas posteriores, contraeletrodos e temperatura operacional.

“Um aumento na espessura do filme absorvedor de CBO além do comprimento de difusão de carga levará à recombinação de carga, resultando em baixa densidade de corrente de curto-circuito (SSC), limitando subsequentemente a eficiência da conversão de energia”, explicaram os cientistas. “É importante ressaltar que filmes finos de CuBi2O4 depositados por revestimento por rotação e deposição de laser pulsado (PLD) mostraram um comprimento de difusão de portador de cerca de 50 nm. Além disso, a espessura da camada absorvedora controla a absorção de portadores de fótons de comprimento de onda curto e reduz consideravelmente as perdas elétricas associadas à recombinação de portadores de carga na interface.”

Na configuração de célula proposta, a luz azul e outras luzes de alta energia são absorvidas na interface, enquanto a luz de baixa energia, como a vermelha, é absorvida quando a espessura do absorvedor está no lado mais alto. Por esse motivo, a espessura dos filmes absorvedores de CuBi2O4 deve ser adequadamente otimizada para alcançar a máxima eficiência, disse o grupo de pesquisa.

Eles descobriram que a maior eficiência, 27,7%, foi alcançada com um projeto de célula que incluía uma camada tampão de sulfeto de estanho (SnS2). Outro dispositivo com uma camada tampão de dissulfeto de tungstênio (WS2) – bem como um absorvedor de luz CuBi2O4 otimizado com uma espessura de 900 nm e uma densidade de dopagem aceitadora de 2 cm × 1,018 cm – alcançou uma eficiência de 22,84%.

Os cientistas apresentaram o design da célula solar em “Futuristic kusachiite solar cells of CuBi2O4 absorber and metal sulfide buffer Layers: Theoretical eficiência aproxima-se de 28%.”, publicado recentemente na Solar Energy.

“No geral, a metodologia e a abordagem oferecidas aqui para estudar sulfeto de metal e camadas de absorção de luz visível que são ecologicamente corretas, econômicas, fáceis de fabricar e fáceis de embalar podem ser estendidas a outros dispositivos optoeletrônicos”, concluem os pesquisadores.