Síntese de filmes de perovskita organometálica sobre FTO/TiO2 mesoporoso e caracterização de suas propriedades para aplicação como células solares

Abstract

A energia solar vem se destacando como uma forma alternativa para resolver o problema das emissões de gases do efeito estufa geradas por fontes energéticas fósseis. Recentemente, células solares de perovskita organometálicas emergiram em atividades de pesquisa devido à alta performance e eficiência, destacando-se também pelas suas atrativas propriedades ópticas e elétricas. Durante 10 anos desde sua descoberta, as células solares de perovskita alcançaram eficiência de 25,2 %. O baixo custo de fabricação e métodos simples de preparação dessas células as colocam em competição com as células solares de silício. Porém, essa nova tecnologia tem limitações que impedem sua comercialização, sendo uma delas o controle mais preciso da homogeneidade da perovskita que está diretamente ligada à sua eficiência e um maior entendimento da sua estabilidade e degradação. No presente trabalho, foram produzidos filmes de perovskita organometálica de chumbo, por deposição sequencial em uma camada de TiO2 mesoporo, sobre substratos de vidro dopados com flúor e estanho, visando uma futura aplicação do material em células solares. Foram analisados os efeitos dos parâmetros de deposição tais como velocidade de deposição da solução precursora de iodeto de chumbo (2000, 3000 e 4000 rpm) e concentração da solução precursora de iodeto de metilamônio (0,062, 0,12 e 0,19 M). Foram realizadas caracterizações estruturais, químicas, morfológicas, ópticas e elétricas nos filmes finos produzidos. Na análise estrutural empregando-se a técnica de difração de raios X, notou-se que houve formação de filmes de CH3NH3PbI3; essa caracterização também revelou que os filmes continham iodeto de chumbo, um indicativo da degradação da perovskita. A análise de espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier confirmou a presença dos grupos característicos da perovskita. A caracterização morfológica por microscopia eletrônica de varredura revelou que os filmes, a diferentes concentrações de iodeto de metilamônio, apresentaram nano estruturas em formas de cubos, fios e fibras, sendo que os filmes depositados a 4000 rpm apresentaram um aspecto de cobertura mais uniforme e quase que isenta de espaços vazios. As análises das propriedades ópticas revelaram que os filmes confeccionados a maiores concentrações de metilamônio de chumbo estão mais aptos para serem aplicados como camada absorvedora. Na caracterização fotovoltaica, a maior eficiência foi obtida para o filme com concentração de 0,062 M de iodeto de metilamônio e velocidade de deposição de 4000 rpm.

Solar energy has been developing as an alternative way to solve the problem of greenhouse gas emissions from fossil energy sources. Recently, organometallic perovskite solar cells have emerged in research activities due to their high performance and efficiency, also standing out for their attractive optical and electrical properties. Since the 10 years of discovery, perovskite solar cells achieved 25.2 % efficiency. The low manufacturing cost and simple preparation methods of these cells are putting them in competition with silicon solar cells. However, this new technology has limitations that hinder its commercialization, one of which is the more precise control of the homogeneity of perovskite that is directly linked to its efficiency and a greater understanding of its stability and degradation. In the present work, lead organometallic perovskite films were produced by sequential deposition in a mesopore TiO2 layer on fluorine doped tin glass substrates, aiming at a future application of the material as a solar cell. The effects of deposition parameters such as deposition rate of lead iodide precursor solution (2000, 3000 and 4000 rpm) and concentration of methylammonium iodide precursor solution (0.062, 0.12 and 0.19 M) were investigated. Structural, chemical, morphological, optical and electrical characterizations of the obtained thin films were performed. In the structural analysis using the X-ray diffraction technique, it was noted that there was formation of CH3NH3PbI3. This characterization also revealed that the films contained a lead iodide signal, an indicative of perovskite degradation. Fourier-transform infrared spectroscopy analysis confirmed the presence of perovskite characteristic groups. The morphological characterization using scanning electron microscopy revealed that the films, at different concentrations of methylammonium iodide, presented nanostructures in the form of cubes, wires and fibers, and the films deposited at 4000 rpm presented a more homogeneous and almost uniform coverage aspect. Analyzes of optical properties revealed that films made at higher concentrations of lead methylammonium are more suitable to be applied as an absorber layer. Photovoltaic characterization indicates a higher efficiency for the film obtained with concentration of 0.062 M of methylammonium iodide and deposition speed of 4000 rpm.