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

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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.