Una célula solar de perovskita basada en una capa de pasivación superficial rica en electrones alcanza una eficiencia del 23,27%

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Un grupo de investigadores dirigido por la Universidad Tecnológica de Zhejiang (China) ha propuesto utilizar dos moléculas orgánicas a base de sulfona conocidas como difenilsulfona (DPS) y 4,4′-dimetildifenilsulfona (DMPS) para mejorar el rendimiento de las células solares de perovskita.

Utilizaron las moléculas para mejorar la distribución de la carga en la interfaz entre el absorbedor de perovskita de la célula y la capa de pasivación, que supuestamente crea sistemas ricos en electrones en la superficie de la perovskita. Utilizando la teoría funcional de la densidad (DFT, por sus siglas en inglés), un método de simulación atomística de mecánica cuántica que permite calcular una gran variedad de propiedades de casi cualquier tipo de sistema atómico, simularon las distribuciones de densidad de carga de las interacciones del DPS y el DMPS con el material de perovskita yoduro de plomo y formamidinio (FAPbI3).

En el estudio “Engineering an organic electron-rich surface passivation layer for efficient and stable perovskite solar cells” (Ingeniería de una capa de pasivación superficial orgánica rica en electrones para células solares de perovskita eficientes y estables), publicado en Cell Reports Physical Science, los científicos explicaron que la mayor densidad de nubes de electrones que encontraron en el DMPS crea una unión más fuerte de este material con el absorbedor de perovskita, lo que se traduce en una mayor estabilidad de la célula. También afirmaron que el entorno rico en electrónica que proporcionan el DPS y el DMPS reduce la carga positiva del plomo (Pb) en el absorbente de perovskita, lo que contribuye a aumentar la densidad de la nube de electrones.

“Estos resultados indican que los iones Pb2+ no coordinados en la superficie de la película de perovskita fueron pasivados eficazmente por las pequeñas moléculas, lo que sugiere la mejora del rendimiento y la estabilidad de la célula”, subrayaron los académicos, señalando que estos resultados fueron confirmados por análisis adicionales realizados mediante difracción de rayos X (DRX), microscopía electrónica de barrido (MEB) y microscopía de fuerza atómica (MFA).

El enfoque propuesto también se probó mediante la construcción de una célula física tratada con DMPS y compuesta por un sustrato de vidrio y óxido de indio y estaño (ITO), una capa de transporte de electrones (ETL) de óxido de estaño (SnO2), el absorbedor FAPbI3 dopado con cadmio, una capa de transporte de huecos basada en Spiro-OMeTAD y un contacto metálico de plata (Ag). “Una investigación sobre el efecto de la concentración del tratamiento en el rendimiento del dispositivo reveló una mejora significativa del rendimiento fotovoltaico a concentraciones de 1 y 3 mg mL-1 de DPS y DMPS, respectivamente”, señalaron los científicos.

La célula alcanzó una eficiencia de conversión de potencia del 23,27%, una tensión de circuito abierto de 1,141 V, una densidad de corriente de cortocircuito de 25,21 mA cm-2 y un factor de llenado del 80,93%. También se observó que el dispositivo conservaba el 92,5% de su eficiencia inicial después de 1.000 h. “La eficiencia de los dispositivos tratados con DMPS aumentó del 21,21% original al 23,27%”, subrayó el grupo, señalando que los dispositivos de referencia construidos sin DMPS ni tratamiento con DPS obtuvieron resultados considerablemente inferiores.

“La estrategia de pasivación superficial empleando pequeñas moléculas conjugadas orgánicas eficientes proporciona un enfoque novedoso para mejorar el rendimiento fotovoltaico de las células solares de perovskita”, concluyeron los investigadores.

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