Un grupo de investigadores dirigido por el Karlsruher Institut für Technologie (KIT) alemán ha fabricado una célula solar de triple unión de perovskita-perovskita-silicio que ha alcanzado una eficiencia récord del 24,4%.
Hasta la fecha, las células fotovoltaicas multiunión basadas en perovskita que utilizan tres, cuatro o incluso más uniones han tenido un rendimiento inferior al de las células solares monolíticas de doble unión basadas en perovskita.
“Los retos clave en el procesamiento de arquitecturas de triple unión son el procesamiento secuencial de películas finas de perovskita de alta calidad en la cada vez más compleja arquitectura multicapa, la gestión de la luz y la adaptación de la corriente de las subcélulas interconectadas monolíticamente, así como el desarrollo de uniones túnel/recombinación de bajas pérdidas”, declaró a pv magazine Ulrich W. Paetzold, director del grupo fotovoltaico de nueva generación del KIT. “Destacamos que, hasta la fecha, la unión más crítica es la subcélula media de perovskita, ya que se procesa encima de la célula inferior de Si y tiene que soportar el posterior procesamiento de la célula superior de perovskita de banda ancha (WBG, por sus siglas en inglés)”.
En el estudio “Triple-junction perovskite-perovskite-silicon solar cells with power conversion efficiency of 24.4%” (Células solares de perovskita-perovskita-silicio de triple unión con una eficiencia de conversión de energía del 24,4%), publicado en Energy & Environmental Science, Paetzold y sus colegas explicaron que la célula se basaba en una célula superior de perovskita con un bandgap energético de 1,84 eV, una célula intermedia de perovskita con un bandgap de 1,52 eV y una célula inferior de silicio con un bandgap de 1,1 eV.
La celda inferior tenía un grosor de 200 μm. Se grabó con hidróxido de potasio y se basó en uniones de poli-Si sobre óxido (POLO) colectoras de electrones. Para los dispositivos central y superior, los científicos utilizaron una de las perovskitas de haluro más prometedoras: el yoduro de plomo α-formamidinio, conocido como α-FAPbI3. Las uniones de recombinación se formaron con capas de óxido de indio y estaño (ITO) pulverizadas.
“La ITO también sirve como óxido de anclaje para la capa secuencial de transporte de huecos (HTL), especialmente para las HTL dobles de NiOx/monocapa autoensamblada (SAM)”, explicaron los académicos. “En ambas subcélulas de perovskita se utiliza una HTL doble basada en una combinación de óxido de níquel(II) pulverizado (NiOx) y carbazol (2PACz), que ofrece una excelente extracción de portadores de carga, una barrera robusta para los disolventes del precursor de perovskita y un rendimiento muy bueno para los dispositivos”.
Probada en condiciones de iluminación estándar, la célula de triple unión alcanzó una eficiencia de conversión energética del 24,4%, una tensión de circuito abierto de 2,84 V, una corriente de cortocircuito de 11,6 mA cm-2 y un factor de llenado del 74%. Según el grupo de investigación, se trata de la mayor eficiencia registrada hasta la fecha en este tipo de dispositivos de triple unión.
La célula también fue capaz de conservar el 96,6% de la eficiencia inicial en almacenamiento oscuro envejeciendo a 85 ºC durante 1.081 h.
“Aprovechando las simulaciones ópticas y las optimizaciones experimentales en triple unión, se minimizó el desajuste de corriente y se maximizó la generación de corriente”, afirmó Paetzold. “La clave de este logro fue nuestro desarrollo de una subcelda de perovskita intermedia de alto rendimiento, empleando una película delgada FAPbI3 estable de fase alfa pura de alta calidad”.
Paetzold también explicó que la subcélula de perovskita media es beneficiosa por proporcionar un bandgap medio adecuado, muy buena estabilidad térmica, excelentes interfaces con ambas uniones de recombinación y una baja densidad de defectos y agujeros de alfiler.
“Nuestro estudio abre la puerta a una nueva era de la fotovoltaica de triple unión de alta eficiencia basada en la perovskita”, concluyó.
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