O controle em nanoescala-através de solventes, aditivos, engenharia coloidal ou caracterização em escala atômica-está empurrando a fotovoltaica de perovskita mais perto da comercialização.
Os perovskitas de halogeneto de metallic emergiram como uma das courses de materiais mais promissoras da moderna fotovoltaica. Apesar dessa rápida subida, as barreiras críticas permanecem no caminho da comercialização: a longevidade da operação de longo prazo, a processabilidade em larga escala e as alternativas mais seguras continuam a desafiar os pesquisadores.
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Nesta edição, Nanotecnologia da natureza Destaque os estudos que demonstram coletivamente como os princípios e técnicas de nanociência aceleram a jornada dos fotovoltaicos de perovskita do laboratório para o mercado. Em vez de tratar os desafios dos fotovoltaicos de perovskita como materiais isolados ou problemas de dispositivo, esses trabalhos mostram como o controle da matéria na nanoescala pode revelar novas idéias em química física que podem ser alavancadas para projetar melhores dispositivos e melhorar o desempenho.
Em perovskitas processados por solução, a microestrutura de filmes finos governa a dinâmica por transportador de carga e a estabilidade a longo prazo. No caso do formamidínio, o iodeto de chumbo (FAPBI3), a transformação de fase da fase δ não fotovoltaica na fase α desejada requer ajuste térmico e químico delicado. O processo aditivo tradicional introduz um dilema de longa knowledge: as bases de Lewis devem se ligar com força suficiente para estabilizar a fase intermediária, mas serão liberadas rapidamente para permitir a transformação na fase ultimate. Para resolver esta questão, o Artigo Por Fu et al. Introduz uma estratégia de formação de base de Lewis sob demanda. Em vez de confiar em aditivos permanentes ou pré-existentes, os autores usam o cloridrato semicarbazida, um sal contendo Lewis-ácido, que gera dinamicamente as moléculas de base de Lewis in situ por desprotonação reversível. A reatividade química de controle temporal e espacial na nanoescala reconcilia as restrições termodinâmicas e cinéticas no design aditivo de perovskita.
Outro caso atraente por meio de engenharia aditiva é relatada no Artigo Por Fu et al. para dispositivos em tandem. As células solares em tandem de all-perovskite compostas por subcélulas de banda larga e banda estreita são particularmente atraentes devido aos seus sistemas de materiais compatíveis e processabilidade da solução. No entanto, escalar esses dispositivos para escala do setor sem degradação do desempenho continua sendo um obstáculo formidável. Em seu trabalho, os autores apresentam o Piracetam, uma base de pirrolidona, como um agente multifuncional que atua em vários estágios da formação de filmes. O duplo papel da Piracetam como agente direcionado à estrutura e passivador de defeitos na nanoescala melhora simultaneamente a escalabilidade e a estabilidade nas células solares em tandem.
Enquanto os perovskitas baseados em chumbo continuam a dominar a tabela de líderes de desempenho, as preocupações ambientais em torno da toxicidade da liderança alimentaram o interesse nas alternativas de perovskita de halogeneto. No entanto, esses materiais sofrem de baixa formação de filmes e rápida oxidação. Em seus ArtigoEle et al. enfrentar esse desafio através de uma perspectiva química em nanoescala- sincronizando a cinética de nucleação de domínios bidimensionais e tridimensionais (2D/3D) em solução, incorporando pequenos cátions de césio nas camadas duplas elétricas de colóides de perovskita. Isso reduz a repulsão eletrostática e promove filmes heteroestruturados 2D/3D homogêneos com densidade de armadilha significativamente reduzida. O dispositivo fabricado atinge uma eficiência notável de conversão de energia certificada de 16,65% e exibe mais de 1.500 horas de operação estável sob iluminação contínua sem encapsulamento. Conforme destacado no acompanhamento Notícias e visualizaçõesessa abordagem de química coloidal-interações intermoleculares em nanoescala de engenharia-oferece informações para aplicações mais amplas em sistemas optoeletrônicos dimensionais mistos.
As inovações químicas e de processamento impulsionaram grande parte do progresso recente nos fotovoltaicos de perovskita, enquanto uma questão elementary persistente persiste: por que certas variantes de composição, particularmente aquelas baseadas no formamidínio (FA+), supere consistentemente seu metilamônio (MA+)-Catilhas baseadas em base? A resposta pode não estar em estruturas cristalográficas médias, que geralmente parecem semelhantes, mas em ordens locais ocultas que governam a dinâmica da transportadora e a tolerância a defeitos.
Em seus ArtigoDubajic et al. Mix técnicas avançadas de caracterização com a dinâmica molecular guiada por aprendizado de máquina para explorar a estrutura em nanoescala dos perovskitas de halogeneto de chumbo à base de MA e FA. Seus achados derrubam suposições convencionais sobre homogeneidade estrutural. Embora ambos os sistemas adotem simetria cúbica à temperatura ambiente, eles hospedam nanodomínios dinâmicos fundamentalmente diferentes. Os materiais baseados em MA exibem domínios planares planares densamente embalados com inclinação octaédrica fora de fase, enquanto os perovskitas baseados em FA exibem domínios esféricos isotrópicos esparsos e esparsos com inclinação em fase. Essas diferenças sutis na simetria e dinâmica native se traduzem em um distúrbio dinâmico mais baixo em sistemas baseados em FA, levando a uma melhor mobilidade da transportadora, redução da recombinação e, finalmente, desempenho superior do dispositivo. Este estudo exige uma redefinição de paradigmas de estrutura -propriedade em perovskitas, enfatizando o papel da dinâmica e distúrbio em nanoescala como variáveis de design central.
Tomados em conjunto, todos esses trabalhos articulam uma visão conjunta em direção a uma estrutura mais arredondada para a pesquisa de perovskite – uma que integra física de materiais, química coloidal, cristalografia, engenharia de dispositivos e modelagem computacional. Além disso, eles reforçam a idéia de olhar além das propriedades em massa e abraçar a complexidade – e a oportunidade – escondidas na nanoescala.