Investigadores diseñan una célula solar de perovskita basada en estaño y germanio con una eficiencia potencial del 31,49%

Un grupo de investigadores dirigido por la Universiti Malaysia Perlis de Malasia ha diseñado una célula solar de perovskita de cationes mixtos basada en un absorbedor de perovskita que integra estaño (Sn) y germanio (Ge) como cationes B mixtos.

Los absorbedores de perovskita que utilizan cationes mixtos, comúnmente denominados catión A y catión B, presentan una mayor estabilidad, absorción de luz y mayor movilidad de portadores de carga. Los cationes A se utilizan para controlar el bandgap y la estabilidad del material de perovskita, mientras que los cationes B se destinan a modificar las características eléctricas y ópticas de las perovskitas.

Los científicos explicaron que el uso de ambos elementos en el catión B mediante “ingeniería composicional” permite reducir sus respectivos defectos y aumentar el rendimiento de la célula, en comparación con el uso de cada uno de ellos por separado. Además, los átomos de Ge pueden sustituir a los de Sn en la estructura cristalina de la perovskita.

“Esta sustitución ayuda a evitar la formación de vacantes que puede producirse cuando faltan átomos de Sn”, añadieron. “La adición de Ge llena estas vacantes, estabilizando la estructura cristalina y reduciendo los defectos. El Ge también puede actuar como ion sustituto, concretamente Ge2+, que ayuda a mantener el equilibrio de cargas en la red cristalina y reduce la aparición de defectos cargados”.

Los científicos utilizaron el software de capacitancia de células solares SCAPS-1D, desarrollado por la Universidad de Gante, para simular la novedosa configuración de la célula. La célula se basaba en un sustrato de vidrio y óxido de estaño dopado con flúor (FTO), una capa de transporte de electrones (ETL) basada en óxido de estaño (SnO2) o dióxido de titanio (TiO2), el absorbedor de perovskita que integra Sn y Ge, una capa de transporte de huecos (HTL) hecha con Spiro-OMeTAD u óxido de cobre(II) (Cu2O), y un contacto metálico de oro (Au).

El equipo simuló la célula con distintos parámetros, como el grosor de la capa, el bandgap, la afinidad electrónica y la permitividad dieléctrica relativa, entre otros. Supuso que el grosor del absorbente oscilaba entre 300 nm y 6.000 nm.

Simulada en condiciones de iluminación estándar, una célula solar con un absorbedor de 300 nm de grosor alcanzó una eficiencia de conversión de potencia del 25,23%, una tensión de circuito abierto de 1,0410 V, una densidad de corriente de cortocircuito de 27,4995 mA/cm2 y un factor de llenado del 88,14%. En cambio, un dispositivo con un absorbente de 6.000 nm de grosor alcanzó una eficiencia del 31,73%, una tensión de circuito abierto de 1,0426 V, una densidad de corriente de cortocircuito de 34,5235 mA/cm2 y un factor de llenado del 88,11%.

“El aumento de la luz captada en la longitud de onda máxima (920 nm) del 20,36 % al 58,89 % a medida que aumenta el grosor de la capa de perovskita de 300 nm a 1.200 nm indica una mejor captación de la luz y una reducción de las pérdidas por reflexión”, explican los académicos. “Además, el factor de llenado entre el 87 % y el 88 %, con un aumento de la eficiencia desde la configuración inicial del 24,25 % hasta una condición óptima del 31,49 % a 293 K, demuestra que estas células solares han conseguido recoger y transportar portadores de carga”.

La novedosa arquitectura de las células se presentó en el estudio “Mixed cations tin-germanium perovskite: A promising approach for enhanced solar cell applications” (Perovskita de cationes mixtos estaño-germanio: un enfoque prometedor para aplicaciones mejoradas de células solares), publicado en Helyion. De cara al futuro, los investigadores afirman que quieren validar la precisión de los modelos, identificar discrepancias y perfeccionar los parámetros de la investigación.