Una célula solar de perovskita dopada con cadmio alcanza una eficiencia del 22,7%

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Un equipo internacional de investigadores ha fabricado por primera vez una célula solar de perovskita basada en un absorbente de yoduro de plomo y formamidinio (FAPbI3) dopado con cadmio.

El FAPbI3 es uno de los materiales de perovskita más prometedores para aplicaciones de células solares, ya que ofrece un estrecho bandgap energético y una notable estabilidad. “Dadas las ventajas de las células solares de perovskita FAPbI3, ahora es importante ampliarlas, un reto aún por resolver teniendo en cuenta el problema del polimorfismo de FAPbI3 y su hipersensibilidad a las condiciones de fabricación”, destacaron los investigadores. “Así pues, nuestra hipótesis era que la introducción de un aditivo de Pb homovalente resolvería el problema. Una de estas alternativas es el cadmio”.

El uso de cadmio en forma de yoduro de cadmio (CdI2) pretende estabilizar el proceso de recubrimiento de las palas a temperatura ambiente, que de otro modo podría causar el mencionado problema de polimorfismo, que depende de las condiciones ambientales y de la humedad del aire ambiente.

Para investigar los posibles efectos del dopaje con CdI2, el grupo de investigación utilizó primero el método de optimización de películas de composición graduada (CGF), que proporciona una combinación combinatoria continua de todas las aleaciones binarias potenciales. Crearon una película de FAPbI3 con el CdI2 depositado en diferentes concentraciones a lo largo de la película, del 0% al 5%. A continuación, utilizando un espectrómetro compacto con una sonda de reflexión, se midieron los espectros de fotoluminiscencia (PL).

“La intensidad de PL aumentó a lo largo de la película, alcanzando la intensidad máxima a l = 3,6 cm, correspondiente a una concentración de Cd2+ de alrededor del 0,6%, y disminuyendo después gradualmente”, explicaron los académicos. “La mejora del PL indica la reducción de la tasa de recombinación no radiativa en la película de perovskita, lo que es beneficioso para el rendimiento de las células solares”.

A continuación, los científicos recubrieron películas de FAPbI3 con distintos niveles de CdI2 sobre sustratos de óxido de indio y estaño (ITO)/vidrio. Utilizando imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM), descubrieron que al 0,6% de cadmio, el tamaño y la densidad de los granos alcanzaban una cobertura total, un atributo importante para las películas de las células solares.

“También evaluamos la estabilidad de las películas”, destacó el grupo. “Tras envejecer en aire ambiente durante 30 días a una humedad relativa (HR) del 35%, la película de FAPbI3 sin Cd mostró predominantemente la fase 𝛿, mientras que las muestras óptimas dopadas con Cd no mostraron signos de degradación. Así, concluimos que el dopaje con Cd liberó eficazmente la tensión estructural de la perovskita FAPbI3 y estabilizó su deseado polimorfo 𝛼”.

El equipo diseñó la célula con un sustrato de vidrio e ITO, una capa de transporte de electrones (ETL) de óxido de estaño (SnO2), el absorbente FAPbI3 dopado con cadmio, una capa de transporte de huecos basada en Spiro-OMeTAD y un contacto metálico de oro (Au).

Probado en condiciones de iluminación estándar, el dispositivo alcanzó una eficiencia del 22,7%, una tensión de circuito abierto de 1,10 V, una densidad de corriente de cortocircuito de 25,9 mA/cm2 y un factor de llenado del 79,6%. Una célula de referencia sin dopaje de cadmio alcanzó una eficiencia del 20,8%, una tensión de circuito abierto de 1,05 V, una densidad de corriente de cortocircuito de 25,2 mA/cm2 y un factor de llenado del 78,5%.

“El FAPbI3 de control mostró una reproducibilidad deficiente debido a la presencia de agujeros de alfiler, mientras que más del 80% del Cd-FAPbI3 objetivo mostró una eficiencia superior al 20%. Las células solares de 0,9 cm2 de área activa con y sin Cd mostraron una eficiencia de campeón del 16,41% y el 13,90%, respectivamente”, declararon los científicos.

Mediante microscopía de absorción transitoria (TAM), los investigadores descubrieron también que la muestra diana presenta un menor atrapamiento de cargas y una vida útil más larga. “Los estados trampa de la muestra diana se llenan más fácilmente, lo que conduce a una mayor acumulación de cargas y a un mayor COV”.

El novedoso proceso de fabricación se presentó en el estudio “Cadmium-Doping Slows Trap Emptying in Ambient-Air Blade-Coated Formamidinium Lead Iodide Perovskite Solar Cells” (El dopaje con cadmio ralentiza el vaciado de trampas en células solares de perovskita de yoduro de plomo y formamidinio recubiertas con láminas de aire ambiente), publicado en Advanced Energy Materials. El grupo de investigación estaba formado por científicos de la Universidad canadiense de Victoria, la Universidad de Columbia Británica y la Universidad china de Henan.

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