Pesquisadores da Universidade de Zhengzhou, na China, revisaram o uso de zwitterions em células solares de perovskita, concluindo que essas moléculas eletricamente neutras poderiam contribuir para a eficiência e a estabilidade dos dispositivos por meio de vários mecanismos que vão além da passivação convencional de defeitos.
Os zwitterions contêm grupos funcionais com cargas positiva e negativa. Segundo os pesquisadores, essa estrutura de dupla carga permite que eles interajam com defeitos, influenciem a cristalização e ajustem os níveis de energia nas interfaces dentro de uma única unidade molecular. Sua eficácia depende da estrutura molecular, do método de incorporação e da posição no dispositivo.
No absorvedor de perovskita, os zwitterions podem interagir com íons de chumbo subcoordenados, vacâncias de haletos e defeitos associados a cátions orgânicos. Essas interações podem reduzir a captura de portadores de carga e a recombinação não radiativa. A revisão observa que compostos do tipo betaína têm sido amplamente estudados, enquanto zwitterions à base de aminoácidos e outros zwitterions funcionalizados também produziram resultados promissores.
As melhorias de desempenho relatadas incluem um aumento da eficiência de 10,54% para 13,31% em uma célula de perovskita à base de estanho que utilizou L-asparagina. O ácido formamidino sulfínico permitiu uma eficiência de 22,06% em um dispositivo de amplo bandgap. Os zwitterions também podem afetar a coordenação dos precursores, a nucleação e o crescimento dos cristais, ajudando a produzir filmes mais uniformes, com menos poros e cristalinidade aprimorada.
Os compostos também podem estabilizar a fase preta fotoativa em perovskitas à base de césio e formamidínio. Outros efeitos relatados incluem redução da migração iônica, melhoria da integridade da rede cristalina, supressão da oxidação do estanho e redução do estresse mecânico residual.
Nas interfaces entre a camada de perovskita e as camadas de transporte de elétrons ou lacunas, os zwitterions podem passivar defeitos e, ao mesmo tempo, melhorar o alinhamento dos níveis de energia. Em interfaces que envolvem óxido de estanho, dióxido de titânio ou óxido de zinco, seus dipolos moleculares podem modificar as funções trabalho e reduzir as barreiras à extração de elétrons. A revisão também aponta os zwitterions líquidos como uma possível forma de lidar com a baixa solubilidade e as limitações de processamento de alguns compostos sólidos.
Nas interfaces de transporte de lacunas, os zwitterions podem facilitar a extração de lacunas, suprimir a recombinação superficial e melhorar a estabilidade química. Um aditivo relatado aumentou a eficiência média de dispositivos que utilizavam PEDOT de 10,29% para 14,29%. Outra abordagem baseada em L-triptofano em uma interface de óxido de níquel/perovskita alcançou eficiências de 23,79% e 20,41% para dispositivos com bandgaps de 1,56 eV e 1,68 eV, respectivamente. Esses dispositivos mantiveram um desempenho estável por mais de 1.600 horas.
Camadas intermediárias zwitteriônicas também podem ser usadas nos contatos dos eletrodos. Nesse caso, os dipolos moleculares podem ajustar as funções trabalho dos metais, melhorar o alinhamento dos níveis de energia e favorecer a extração de cargas. Nos estudos analisados, um polímero zwitteriônico elevou a eficiência de 17,31% para 19,16%, enquanto um composto à base de carboxilato a aumentou de 15,08% para 17,10%.
Os pesquisadores também destacaram o potencial dos zwitterions para limitar a migração iônica e a corrosão dos eletrodos, especialmente nos contatos de prata. Relatou-se que um zwitterion à base de naftaleno diimida capturou íons de prata e iodeto, ajudando a suprimir a degradação na interface.
A revisão pede estruturas mais claras para o projeto e a avaliação, incluindo bancos de dados que combinem descritores moleculares, parâmetros de processamento e dados de desempenho dos dispositivos. Os pesquisadores sugerem que o aprendizado supervisionado poderia ajudar a identificar zwitterions adequados para camadas funcionais específicas, enquanto modelos generativos poderiam propor novas estruturas moleculares.
O trabalho, intitulado “Research progress of zwitterions in perovskite solar cells”, foi publicado em Sustainable Chemistry for Energy Materials.
Fontes: pv magazine.