Un grupo de investigación de Australia ha diseñado una célula solar de perovskita que utiliza un electrodo de carbono y una capa de transporte de huecos (HTL, por sus iniciales en imnglés) hecha de un tipo especial de material 2D conocido como fosforeno (eBP).
Este material consiste en una única capa de fósforo negro (BP) y es análogo al grafeno. Según los investigadores, tiene una elevada movilidad de portadores, un comportamiento de conducción ambipolar y un bandgap sintonizable, lo que lo hace ideal para aplicaciones en células solares de perovskita. “Recientemente, el concepto de utilizar derivados del BP como capa intermedia entre la capa de perovskita y la HTL ha mostrado una mejora significativa en el transporte de huecos debido a la reducción de la barrera de inyección entre la perovskita y la HTL, y a la alineación favorable de la energía de banda en las células de perovskita convencionales”, explicaron.
El grupo de investigación utilizó un reactor electroquímico de lecho compacto (PBER) para producir escamas de fosforeno de gran superficie para el HTL. “La expansión electroquímica del PA se llevó a cabo en un PBER de dos electrodos, en el que un lecho de PA a granel se presionó contra un electrodo de trabajo de diamante dopado con boro (BDD) y se separó de un contraelectrodo de platino (Pt) con una membrana de fibra de vidrio”, explicaron.
“El BP expandido resultante se exfolió en nanohojas (eBP) utilizando una sonicación suave en dimetilsulfóxido (DMSO) durante sólo 2 minutos debido al debilitamiento de la interacción de van der Waals entre capas causado por la presencia de intercalantes”.
Ilustración esquemática de la producción electroquímica de eBP.
Imagen: Griffith University, 2D materials and applications, Licencia común CC BY 4.0
Los académicos construyeron la célula con un sustrato de óxido de indio y estaño (ITO) recubierto de vidrio, una capa de transporte de electrones (ETL) basada en óxido de estaño (SnO2), un absorbente de perovskita, una HTL basada en eBP y un contacto de carbono.
En las configuraciones de célula propuestas, los copos de eBP tienen por objeto mejorar el contacto interfacial entre el absorbedor de perovskita y el electrodo de carbono, suprimiendo al mismo tiempo las migraciones de iones y reduciendo la histéresis. También contribuyeron a lograr alineaciones de energía de banda “adecuadas”, así como a mejorar la selectividad y el transporte de huecos.
Probado en condiciones de iluminación estándar, el dispositivo alcanzó una eficiencia de conversión de potencia del 15,58%, una tensión en circuito abierto de 1,082 V, una densidad de corriente en circuito de 22,89 mA y un factor de llenado del 62,85%, que, según los científicos, son los valores más altos jamás registrados para una célula solar de perovskita basada en carbono que utiliza materiales no convencionales de transporte de huecos.
“Y lo que es más importante, las c-PSC no encapsuladas con copos de eBP mostraron una excelente estabilidad en diversas condiciones de ensayo adversas, como altas temperaturas y humedad, gracias a la protección combinada del HTL de eBP hidrófobo y el electrodo de carbono”, añaden los académicos. “Postulamos que la energía de banda bien alineada y la capacidad de extracción de huecos de las nanohojas de eBP conducen a una transferencia eficiente de huecos desde la capa de perovskita al electrodo de carbono”.
En comparación, una célula de control construida con un HTL convencional alcanzó una eficiencia del 13,48%, una tensión en circuito abierto de 1,045 V, una densidad de corriente en circuito de 21,46 mA y un factor de llenado del 60,06%.
El novedoso diseño de la célula se presentó en el estudio “Large-area phosphorene for stable carbon-based perovskite solar cells” (Fosforeno de gran superficie para células solares de perovskita estables a base de carbono), publicado en 2D materials and applications. El grupo de investigación estaba formado por científicos de la Universidad Griffith.
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