Polimento e reconstrução por laser sem contato rumo a células solares tandem all-perovskita de alta eficiência

Fazendo os painéis solares funcionarem melhor

Os painéis solares estão ficando mais baratos e mais comuns, mas os projetos padrão de hoje desperdiçam muita energia do Sol na forma de calor. Uma das maneiras mais promissoras de extrair mais eletricidade da luz solar é empilhar duas células solares uma sobre a outra, cada uma ajustada para uma faixa diferente do espectro solar. Este estudo mostra como um novo tipo de “polimento sem contato” com luz laser pode corrigir uma fragilidade crítica em tais células tandem perovskita e elevar sua eficiência para perto de 30%, um patamar atraente para aplicações futuras em telhados, usinas e até energia portátil.

Por que as células perovskita empilhadas têm dificuldades

Perovskitas são materiais com estrutura cristalina que absorvem a luz solar de forma muito eficiente e são fáceis de fabricar a partir de solução. Para superar os limites de eficiência das células únicas, os pesquisadores empilham uma perovskita de bandgap largo sobre uma de bandgap estreito, formando um tandem inteiramente perovskita. A célula inferior, de bandgap estreito, precisa coletar a luz vermelha e do infravermelho próximo que atravessa a célula superior, e seu desempenho define em grande parte o teto do tandem. Infelizmente, filmes de chumbo–estanho com bandgap estreito geralmente se formam com superfícies rugosas e ricas em defeitos. O estanho tende a se acumular e oxidar perto da superfície, o iodo se torna deficiente, e a superfície irregular faz mau contato com a camada que extrai elétrons. Juntos, esses problemas fazem com que portadores de carga recombinem antes de serem coletados, desperdiçando tensão e corrente.

Alisando com luz em vez de lixa

Métodos convencionais para limpar superfícies de perovskita dependem de químicos líquidos ou contato físico, ambos capazes de danificar os filmes delicados e difíceis de controlar em grandes áreas. Neste trabalho, os autores desenvolveram um método de polimento por laser ultravioleta de picosegundos que nunca toca o filme. Pulsos de laser ultracurtos removem apenas as dezenas de nanômetros defeituosos do topo, aplainando a superfície enquanto minimizam o aquecimento do cristal subjacente. A microscopia mostra que a rugosidade média cai cerca de um fator de três, e medidas químicas revelam que o excesso de estanho e a falta de iodo na superfície são em grande parte removidos. A profundidade do polimento pode ser ajustada com a potência do laser e a velocidade de varredura, e a equipe demonstra precisão sub-nanométrica e excelente repetibilidade entre muitos lotes.

Reconstruindo uma camada superficial mais saudável

O polimento por laser faz mais do que apenas aparar saliências; ele deixa uma superfície de perovskita com muitos sítios “A” vazios na estrutura cristalina — lugares onde normalmente ficam grandes íons orgânicos ou de césio. Os pesquisadores tratam essa superfície recém-exposta com uma solução contendo brometo de guanidínio, cujos grandes íons de guanidínio podem formar fortes ligações de hidrogênio e tendem a retardar o movimento iônico. Esses íons preenchem seletivamente os sítios vagos próximo à superfície, reconstruindo-a em uma camada perovskita guanidínio–césio que é mais ordenada e menos tensionada do que antes. Difração de raios X e microscopia eletrônica mostram que distorções na rede cristalina desaparecem e que os poucos nanômetros superiores se expandem ligeiramente, consistente com o maior tamanho do guanidínio. Testes ópticos indicam fotoluminescência mais intensa e tempos de vida de portadores mais longos, sinalizando menos defeitos e qualidade de filme mais uniforme em grandes áreas.

Transformando superfícies mais limpas em maior eficiência

Quando a equipe constrói dispositivos completos, os benefícios se somam. Células únicas de bandgap estreito feitas com as superfícies polidas e reconstruídas mostram tensão, corrente e fator de preenchimento maiores do que controles não tratados, além de exibirem muito menos histerese — um indicador de que íons móveis e interfaces instáveis foram controlados. A melhor célula chumbo–estanho alcança eficiência de conversão de potência de 24,07%, com certificação independente de 23,47%, usando um processo escalável que não depende de quenching por antissolvente. Empilhar essa célula inferior aprimorada sob uma perovskita superior de bandgap largo resulta em um tandem all-perovskita com 29,80% de eficiência e forte concordância entre a corrente medida e a resposta espectralmente resolvida. Dispositivos maiores e mini-módulos fabricados com a mesma abordagem mantêm altas eficiências, e tandems encapsulados retêm cerca de 80% de seu desempenho inicial após aproximadamente 650 horas de operação contínua.

O que isso significa para a energia solar futura

Ao usar um laser sem contato para remover com precisão o material defeituoso e depois reconstruir os poucos nanômetros superiores com uma composição perovskita mais robusta, este trabalho aborda um dos principais gargalos em tandems perovskita avançados: uma interface rugosa e instável que desperdiça carga. O resultado são filmes mais lisos, extração de carga mais limpa, migração iônica reduzida e eficiências recordes para tandems all-perovskita sem antissolvente. Como o método é ajustável, rápido e compatível com diferentes bandgaps e estruturas de dispositivo, ele oferece uma ferramenta amplamente útil para levar a tecnologia solar de perovskita mais perto de seus limites teóricos e de implantação no mundo real.

Citação: Ma, T., Luo, D., Ye, W. et al. Non-contact laser polishing and reconstruction towards high-efficiency all-perovskite tandem solar cells. Nat Commun 17, 4193 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71017-7

Palavras-chave: células solares tandem perovskita, polimento de superfície por laser, engenharia de interface, fotovoltaicos de alta eficiência, tecnologia de filmes finos solares