O nouă metodă de semănare cristalină ridică eficiența celulelor solare perovskite la 23,15%

Sursa foto: Sciencedaily

O echipă de cercetători chinezi a raportat o metodă care îmbunătățește în mod semnificativ calitatea stratului inferior al celulelor solare perovskite în arhitecturi inversate, depășind unul dintre obstacolele care limitau performanța și durabilitatea dispozitivelor la scară largă. Prin introducerea unor nanosemințe cristal-solvat (CSV) care ghidează creșterea cristalelor și eliberează solventul într-un mod controlat în timpul tratamentului termic, echipa a obținut filme perovskite mai netede, mai dense și cu proprietăți electronice îmbunătățite. Un mini-modul cu suprafață de 49,91 cm2 realizat prin această tehnică a atins o eficiență de conversie a puterii de 23,15%.

Problema interfeței „îngropate” în celulele perovskite inversate

Structura convențională a unei celule solare perovskite plasează stratul de transport al electronilor sub stratul absorbant perovskite și stratul de transport al golurilor deasupra. Această configurație a permis performanțe remarcabile în laborator, dar întâmpină dificultăți atunci când este extinsă la producție pe suprafețe mari și în privința stabilității pe termen lung.

Arhitectura inversă schimbă pozițiile celor două straturi de transport, ceea ce o face compatibilă cu metode de procesare bazate pe soluții, adecvate pentru producția la scară largă. Totuși, această inversare transformă junctiunea inferioară — locul unde stratul perovskite intră în contact cu stratul de transport al golurilor — într-o interfață ascunsă, predispusă la neregularități structurale microscopice și la defecte electronice. Aceste imperfecțiuni reduc eficiența inițială și contribuie la degradarea în timp.

Semănarea prealabilă cu cristale-solvat: control al interfeței critice

Cercetătorii de la Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology (QIBEBT), parte a Chinese Academy of Sciences, au propus o tehnică numită semănare prealabilă cu cristal-solvat (CSV) pentru a controla cu precizie această interfață inferioară. Metoda, publicată în Nature Synthesis pe 27 februarie 2026, îmbină reguli de nucleație induse cu o strategie de stabilizare a interfeței pentru a obține filme perovskite de calitate superioară la scară extinsă.

Procedura începe prin depunerea unor nanocristale halidice de dimensiuni reduse — denumite cristale-solvat — având formula chimică PDPbI4·DMSO pe substraturi modificate printr-un monostrat auto-asamblat (SAM). Aceste nanocristale CSV, cu formă alungită, acționează ca direcționatori structurali pentru cristalele perovskite care se formează ulterior.

Formele de tip bastonaș ale nanocristalelor CSV îmbunătățesc capacitatea soluției precursor de perovskite de a se răspândi uniform pe suprafața, în mod normal hidrofobă, a monostratului SAM. În timpul cristalizării, nanosemințele pre-depuse funcționează ca numeroase centre de nucleație, accelerând și orientând formarea stratului de perovskite și reducând heterogenitățile inițiale.

Mecanisme fizice și rolul nanosemințelor

Nanosemințele introduse oferă două avantaje esențiale: facilitarea acoperirii uniforme pe o suprafață greu udabilă și crearea unui set de nuclee de creștere care conduc la o structură mai coerentă a filmului perovskite. Astfel, straturile inferioare ale filmului, care sunt cele mai expuse riscului de a adăposti goluri interfaciale și limite de grăunte neregulate, dobândesc o densitate și o orientare cristalografică mai bune.

Dr. Xiuhong Sun, co-autor principal al studiului, a explicat esența strategiei: „Am dezvoltat o abordare integrată care abordează simultan reglarea cristalizării și stabilizarea interfeței. Această strategie oferă performanțe bune chiar și la interfețele îngropate, care sunt notoriu greu de controlat cu precizie.”

Annealing în solvent confinat în rețea: eliberarea controlată a DMSO

Un element cheie al metodei este includerea moleculelor de dimetilsulfoxid (DMSO) în structura cristal-solvat. Aceste molecule de DMSO, încorporate în nanocristale, sunt eliberate treptat în timpul tratamentului termic (annealing), creând un mediu local de solvent la interfața inferioară pe care cercetătorii l-au numit „annealing cu solvent confinat în rețea”.

Această atmosferă localizată de solvent facilitează reorganizarea și creșterea grăunțelor în zonă, acționând în sinergie cu cristalizarea indusă de semințe pentru a produce un film mai uniform și mai stabil. Efectul combinat reduce golurile interfațiale și netezește șanțurile de la marginile grăunților, rezultând o regiune mai densă și mai orientată în partea inferioară a stratului perovskite.

Prin această metodă, regiunea de la baza filmului, adesea vulnerabilă la stres termic și foto-indus, devine mai rezistentă la degradare cauzată de expunerea la căldură și lumină, îmbunătățind astfel robustețea dispozitivului pe termen lung.

Performanță la scară: mini-modul de 49,91 cm2 și pierderi minime la scalare

Pentru a demonstra potențialul tehnicii la scară, echipa a integrat metoda CSV cu procesul de slot-die coating, o tehnologie compatibilă cu producția continuă. Astfel a fost fabricat un mini-modul perovskite cu o suprafață de deschidere (aperture area) de 49,91 cm2, care a atins o eficiență de conversie a puterii de 23,15%.

Important, pierderea de eficiență observată în trecerea de la celulele experimentale mici la mini-modul a fost de sub 3% — o performanță care depășește multe dintre rapoartele anterioare și care indică faptul că metoda abordează una dintre limitările majore ale scalării: efectele dimensiunii asupra calității filmului și a proprietăților interfețelor.

Implicarea și perspectivele conceptului CSV

Pe lângă beneficiul imediat în fotovoltaicele perovskite, conceptul de semănare cu cristale-solvat oferă o platformă materială versatilă pentru ingineria interfețelor. Profesorul Shuping Pang, coautor al lucrării, a subliniat potențialul general al abordării: „Această tehnologie depășește blocajul de scalare pe termen lung cauzat de efectele de mărime prin combinarea cristalizării induse și restaurării interfeței îngropate. Dincolo de aplicarea directă în fotovoltaice perovskite, conceptul de semănare cristal-solvat stabilește o platformă materială versatilă: prin reglarea cationilor organici și a moleculelor de solvent, poate fi proiectată o bibliotecă diversă de materiale CSV, deschizând un nou paradigme pentru ingineria interfețelor în fotovoltaică perovskite și în alte dispozitive optoelectronice cu rețele moi semiconductoare.”

Această perspectivă sugerează că, adaptând cationii organici și solventul folosit în nanosemințe, se pot crea variante CSV potrivite pentru diverse sisteme și aplicații, ceea ce ar putea extinde utilitatea metodei dincolo de contextul prezentat în studiu.

Publicare, detalii tehnice și recunoaștere

Rezultatele au fost prezentate în lucrarea intitulară „Crystal-solvate pre-seeded synthesis for scalable perovskite solar cell fabrication”, publicată în Nature Synthesis. Referința completă a studiului include autorii: Xiuhong Sun, Mingwei Hao, Kaiyu Wang, Kuan Wang, Yalan Zhang, Bingqian Zhang, Xuexuan Huang, Chenghao Bi, Shuping Pang și Yuanyuan Zhou. Articolul este identificat prin DOI: 10.1038/s44160-026-00993-x.

Materialele și comunicatul atașat au fost furnizate de Chinese Academy of Sciences Headquarters și au fost prelucrate și editate pentru stil și lungime înainte de diseminare prin presa științifică.

Ce rămâne de urmărit

Studiul oferă dovezi concrete că o abordare duală — combinând controlul nucleației prin semințe cristal-solvat cu eliberarea controlată a solventului în timpul annealing-ului — poate atenua unele dintre principalele probleme asociate cu producția pe scară largă a celulelor perovskite în arhitecturi inversate. Următorii pași includ explorarea variantei materialelor CSV prin modificarea cationilor organici și a moleculelor de solvent, precum și extinderea testelor de stabilitate pe durate mai îndelungate și în condiții de mediu variate.

Pe măsură ce comunitatea de cercetare verifică și aplică aceste idei în contexte practice, soluția propusă ar putea accelera tranziția către module perovskite mai mari, mai eficiente și mai durabile, compatibile cu procese de fabricație industrială.

Mai multe detalii despre comunicatul inițial pot fi consultate pe pagina ScienceDaily, care rezumă principalele concluzii și contextualizează publicarea în literatura de specialitate.