Las células solares de puntos cuánticos de perovskita, camino de alcanzar el 30% de eficiencia

Los puntos cuánticos, diminutas partículas de semiconductor que pueden transportar una carga, fabricados con diversos materiales, se han investigado como posibles materiales para células solares. Los basados en perovskitas han resultado especialmente atractivos para los investigadores que trabajan en fotovoltaica, pues ya han demostrado eficiencias superiores al 16%.

Teniendo esto en cuenta, un grupo de científicos dirigido por la Universidad Islámica Azad de Irán ha llevado a cabo una serie de simulaciones para investigar el potencial de las células solares de puntos cuánticos coloidales de perovskita (PQD) para alcanzar eficiencias superiores a las comunicadas hasta la fecha. En concreto, pretendían evaluar si las propiedades del absorbente de perovskita podían variarse y modularse para mejorar el rendimiento de la célula.

El equipo de investigadores realizó una serie de simulaciones de una célula PQD con una eficiencia del 14,61% basada en perovskita de yoduro de cesio-plomo (CsPbI3) totalmente inorgánica, también conocida como perovskita negra.

Partieron de una configuración de célula basada en un sustrato de óxido de indio y estaño, una capa de transporte de electrones (ETL) basada en óxido de estaño(IV) (SnO2), un absorbedor de CsPbI3 mezclado con una capa de éster metílico del ácido fenil-C61-butírico (PCBM) y un absorbedor de CsPbI3 mezclado con los QD. También incluía una película precursora hecha de polímero PTB, trióxido de molibdeno (MoO3) y oro (Au).

En las simulaciones, el grupo de investigación modificó las propiedades del CsPbI3 teniendo en cuenta la proporción de material, los procesos de deposición utilizados, una serie de tratamientos diferentes, el uso de nanopartículas como el grafeno y la utilización de la deposición apilada con diferentes materiales sándwich.

El análisis demostró que los materiales de la capa absorbente deben tener un bandgap energético de entre 1 eV y 1,7 eV, así como una afinidad por los electrones de entre 3,7 eV y 4 eV. También se evaluó el efecto de la movilidad de electrones y huecos en el rendimiento de la célula y se descubrió que la movilidad de huecos tiene un impacto significativo.

“Para fabricar células solares QD de alta eficiencia necesitamos una capa absorbente con alta movilidad”, afirmaron los académicos, añadiendo que el grosor ideal de los absorbentes de perovskita debería estar entre 100 nm y 350 nm.

Una versión optimizada de la célula solar analizada mostró una eficiencia potencial de conversión de energía del 29,88%. Afirmaron que sus resultados podrían ayudar a otros investigadores a trabajar con materiales de CsPbI3 para la consecución de células solares de PQDs altamente eficientes, estables, a gran escala y flexibles.

Presentaron sus conclusiones en el estudio “Comprehensive guidance for optimizing the colloidal quantum dot (CQD) Perovskite solar cells: experiment and simulation” (Guía completa para optimizar las células solares de Perovskita de puntos cuánticos coloidales (CQD): experimento y simulación), publicado en scientific reports.