Una célula solar de triple unión totalmente de perovskita logra una eficiencia del 25,1% gracias a una nueva técnica de pasivación

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Un grupo internacional de investigadores dirigido por la Universidad de Toronto (Canadá) ha desarrollado una célula solar de triple unión totalmente de perovskita que, al parecer, presenta una homogeneización mejorada de la película de haluro de perovskita.

Los científicos explicaron que su nueva estrategia para mejorar la calidad de la película y la eficiencia de la célula pretendía superar un problema típico de los dispositivos fotovoltaicos monolíticos de triple unión totalmente de perovskita, que suelen presentar un mayor desplazamiento de banda con capas de transporte de carga y densidad de defectos en los absorbedores de perovskita de banda ancha. Esto hace que su eficiencia sea inferior a la de sus homólogos de doble y simple unión.

“Intentamos mejorar la homogeneidad de los haluros a granel e interfaciales en un absorbedor de perovskita de banda ancha de 2 eV rico en bromo para reducir las pérdidas energéticas”, explicó a pv magazine el autor correspondiente de la investigación, Edward Sargent.

Su método consistía en una técnica dual de pasivación de la superficie y de la interfase destinada a promover la homogeneidad de los haluros en la interfase entre el absorbedor de perovskita y la capa de transporte de huecos (HTL). Se trata de la introducción de una sal de haluro de diamonio conocida como yoduro de propano-1,3-diamonio (PDA) durante la formación de la película.

La célula tenía una superficie de 0,049 cm2 y una configuración invertida. Las células de perovskita invertida tienen una estructura de dispositivo conocida como “p-i-n”, en la que el contacto selectivo de huecos p está en la parte inferior de la capa intrínseca de perovskita i con la capa de transporte de electrones n en la parte superior.

El dispositivo se diseñó con un sustrato de vidrio, un contacto posterior transparente de óxido de indio dopado con hidrógeno (IOH), una capa de transporte de huecos (HTL) hecha de óxido de níquel(II) (NiOx) y ácido fosfónico llamado carbazol metil-sustituido (Me-4PACz), un absorbente de perovskita de banda prohibida ancha, un espaciador basado en éster metílico del ácido fenil-C61-butírico (PCBM) y polietilenimina (PEI), una capa tampón de óxido de estaño (SnOx), una capa de óxido de indio y estaño (ITO), otra HTL basada en NiOx y Me-4PAC, un absorbente de perovskita de banda prohibida media, una capa de transporte de electrones (ETL) de buckminsterfullereno (C60), otra capa tampón de SnOx, un contacto metálico de oro (Au), otra HTL basada en el polímero PEDOT: PSS, un absorbente de perovskita de banda prohibida estrecha, una ETL de C60, otra capa amortiguadora de SnOx y un contacto metálico de plata (Ag).

El bandgap energético de los tres absorbedores era de 1,97 eV, 1,61 eV y 1,25 eV, respectivamente.

Según los investigadores, el PDA interactuaba eficazmente con los precursores de perovskita y ralentizaba la formación de películas de perovskita durante el recubrimiento por espinamiento, con lo que las películas presentaban un retraso en la cristalización. “Por tanto, especulamos que el PDA permite el crecimiento controlado entre especies de haluros y facilita la transformación homogénea a fases de perovskita entremezcladas”, explicaron. “Los cationes PDA se unen fuertemente a las interfaces de los fragmentos de perovskita adyacentes, lo que permite más tiempo de relajación para el intercambio de diferentes iones de haluro y, por tanto, la formación de fases uniformes de perovskita de haluro mixto”.

Probado en condiciones de iluminación estándar, el dispositivo de triple unión mostró una eficiencia de conversión de potencia del 25,1%, una tensión de circuito abierto de 3,33 V, una corriente de cortocircuito de 9,7 mA cm2 y un factor de llenado de 0,78. El dispositivo también fue capaz de conservar el 80% de su eficiencia inicial tras 200 h de seguimiento continuo del punto de máxima potencia (MPPT).

Por su parte, el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) del Departamento de Energía de EE.UU. ha certificado una eficiencia del 23,87% para el dispositivo utilizando el protocolo de barrido asintótico de máxima potencia.

“Hemos observado que, aunque la sal de diamonio no suprime la segregación de haluros inducida por la luz, la célula de banda prohibida mantiene una elevada estabilidad operativa bajo iluminación prolongada, más allá de la estabilidad de las células de aproximadamente 2 eV de las que se tiene constancia en la bibliografía”, afirman los científicos.

La célula se describe en el estudio “Halide homogenization for low energy loss in 2-eV-bandgap perovskites and increased efficiency in all-perovskite triple-junction solar cells” (Homogeneización de haluros para una baja pérdida de energía en perovskitas con banda prohibida de 2 eV y mayor eficiencia en células solares de triple unión totalmente de perovskita), publicado en Nature Energy. El equipo estaba formado por académicos de la Universidad Tecnológica de Eindhoven (Países Bajos) y la Universidad de Washington (Estados Unidos), así como de la Universidad de Oxford y la Universidad de Cambridge (Reino Unido).

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