Un equipo internacional de investigación liderado por la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong logró mejorar las células solares de perovskita de plomo-estaño (Sn-Pb) de unión simple, así como las variantes tándem y mini-módulo totalmente de perovskita, utilizando una novedosa estrategia de ingeniería interfacial basada en un andamio funcionalizado con mercapto.
En el estudio, “Mercapto-functionalized scaffold improves perovskite buried interfaces for tandem photovoltaics» (El andamio funcionalizado con mercapto mejora las interfaces enterradas de perovskita para fotovoltaica tándem), publicado en Nature Communications, los investigadores describen cómo su enfoque permitió una célula solar de perovskita de plomo-estaño de banda estrecha (NBG, por sus iniciales en inglés) de unión simple con una eficiencia de conversión de energía del 23,7%, una célula solar tándem totalmente de perovskita de dos terminales (2T) con una eficiencia certificada del 29,5% y mini-módulos eficientes al 24,7% con dimensiones de 5 × 5 cm².
En cuanto a las pruebas de estabilidad, las células solares modificadas superaron de forma constante a los dispositivos de control, según la investigación.
“La compatibilidad de nuestra estrategia en múltiples arquitecturas fue muy alentadora. La aplicamos con éxito a perovskitas de plomo-estaño (Sn-Pb) de banda estrecha, perovskitas de banda ancha (WBG) y perovskitas de banda convencional”, explicó Zonghao Liu, autor correspondiente, a pv magazine. “Este enfoque universal de ingeniería interfacial demuestra un potencial significativo para la escalabilidad de los módulos solares de perovskita”.
Para empezar, el grupo identificó nanovacíos o vacíos microscópicos en la interfaz enterrada entre la capa de transporte de huecos PEDOT:PSS (HTL) y la perovskita de plomo-estaño de banda estrecha como un factor crítico que degrada el rendimiento del dispositivo, según Liu.
“Para abordar esto, desarrollamos una estrategia de andamio de sílice mesoporosa funcionalizada con mercapto. Este enfoque modula simultáneamente la cristalización de la perovskita para eliminar nanovacíos, suprime la oxidación del estaño(II), pasiva defectos interfaciales y mejora la extracción de carga”, dijo Liu.
El superandamio estaba compuesto por nanopartículas de sílice mesoporosa (MSN) funcionalizadas con (3-mercaptopropil)trimetoxisilano (MPTS), que los investigadores denominaron MSN-SH.
En el estudio se demostraron y caracterizaron varios dispositivos. Las células solares NBG alcanzaron un voltaje de circuito abierto de hasta 0,89 V y una eficiencia del 23,7%. Se realizaron pruebas adicionales con el tratamiento MSN-SH en células de plomo puras con bandas prohibidas de 1,52 eV, 1,68 eV y 1,77 eV y se compararon con dispositivos de control. El equipo encontró que el método de modificación de la interfaz enterrada fue consistentemente efectivo. En particular, la célula solar de banda ancha (WBG) de 1,77 eV logró una eficiencia de hasta el 20,6% con un voltaje de circuito abierto de 1,33 V, en línea con los resultados certificados.
Para demostrar aún más la tecnología, se fabricó una célula tándem monolítica 2T totalmente de perovskita. Alcanzó una eficiencia certificada del 29,50% y una eficiencia en el punto de máxima potencia del 28,7%. El rendimiento fue certificado por el Instituto de Microsistemas y Tecnología de la Información de Shanghái, en China.
“De forma alentadora, este es uno de los valores de rendimiento más altos reportados para tándems monolíticos de dos terminales totalmente de perovskita, según nuestro conocimiento”, indicaron los investigadores.
La pila del dispositivo tándem totalmente de perovskita fue la siguiente: vidrio, óxido de indio y estaño (ITO), capa de transporte de huecos (HTL) de carbazol metil-sustituido (Me-4PACz), absorbedor de perovskita WBG/MSN-SH, capa de pasivación de dihidroyoduro de 1,3-propanodiamina (PDAI2), capa de transporte de electrones (ETL) de buckminsterfullereno (C60), capa tampón de batocuproína (BCP), óxido de estaño (SnO), contacto metálico de oro (Au), HTL de PEDOT:PSS, MSN-SH, capa de perovskita NBG, capa de pasivación de diioduro de etilendiamonio (EDAI2), C60, BCP y Ag.
En las pruebas de estabilidad térmica, el dispositivo tándem retuvo el 82% de su eficiencia inicial tras 150 h a 85 °C, mientras que los dispositivos de control conservaron “solo el 43% de su eficiencia inicial después de 100 h”, reportaron los científicos.
Además, el dispositivo basado en MSN-SH mostró una estabilidad operativa “prometedora” bajo condiciones MPPT, reteniendo el 93% de la eficiencia inicial después de 450 h, lo que es mejor en comparación con el 68% después de 370 h para el dispositivo de control.
Los mini-módulos tándem se fabricaron sobre sustratos de vidrio de 5 × 5 cm² con un ancho de subcélula de 6,8 mm. Las pruebas revelaron una eficiencia promedio del 24,2% y un valor máximo del 24,7%. El mini-módulo encapsulado con MSN-SH también pudo mantener más del 80% de la eficiencia inicial después de más de 290 h de operación continua.
El equipo indicó que estos resultados sugieren un “superior potencial de escalabilidad de la modificación de la interfaz enterrada con MSN-SH para dispositivos multijunción”, subrayando que la estrategia de diseño proporciona “valiosos conocimientos para la comunidad en el desarrollo de superestructuras funcionales que puedan modular con precisión la interfaz enterrada para células solares y otros dispositivos optoelectrónicos”.
De cara a futuras líneas de investigación, Liu señaló que el trabajo continuará en esta dirección, investigando nuevos nano-andamios funcionalizados, posiblemente utilizando grupos ligando alternativos, con el objetivo de optimizar aún más el transporte de carga y la estabilidad operativa a largo plazo. El grupo también podría aplicar la estrategia a otros dispositivos optoelectrónicos como fotodetectores y diodos emisores de luz (LED).
El equipo de investigación incluyó científicos de la Academia China de Ciencias, el Instituto de Investigación de Energía Limpia de Huaneng, la Universidad de Ciencia y Tecnología del Este de China, la Universidad Politécnica de Shenzhen, la Universidad del Sur de Ciencia y Tecnología, el Instituto de Energía SUSTech para la Neutralidad de Carbono, la Universidad de Tecnología de Wuhan, el Laboratorio del Valle Óptico, todos en China, junto con investigadores de la Universidad de Oxford, en el Reino Unido, y la Universidad de Kioto, Japón.
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