Investigadores de la Universidad de Energía Eléctrica del Norte de China han desarrollado una célula solar flexible de puntos cuánticos de perovskita (PQD, por sus iniciales en ingés) mediante una estrategia de hidrólisis antisolvente aumentada con álcali (AAAH) que, según se informa, mejora el transporte de carga del absorbedor de perovskita.
Los puntos cuánticos son pequeñas partículas semiconductoras que pueden transportar carga y fabricarse a partir de diversos materiales. Se han investigado durante mucho tiempo como posibles materiales para células solares. Los basados en perovskitas han resultado especialmente atractivos para los investigadores que trabajan en el campo de la energía fotovoltaica, ya que han demostrado eficiencias superiores al 16 %.
Los científicos explicaron que los PDQ son especialmente adecuados para aplicaciones fotovoltaicas debido a su energía de banda prohibida sintonizable, su alto rendimiento cuántico de fotoluminiscencia (PLQY), su tolerancia a los defectos y su procesabilidad química. «En particular, los PQD de yoduro de plomo, metilamonio (MA) o formamidinio (FA) son prometedores para las células solares de próxima generación debido a sus altos coeficientes de absorción de luz y eficiencias más cercanas al valor teórico ideal de Shockley-Queisser», explicaron además.
La estrategia AAAH adoptada para la construcción de la célula consistió en utilizar una deposición capa por capa de películas sólidas de PQD, enjuagando cada capa con un antisolvente que elimina eficazmente los ligandos prístinos de la superficie del PQD sin dañar el núcleo de perovskita.
Se descubrió que los antisolventes de éster puro convencionales utilizados hasta ahora para este tipo de operación provocaban la disociación directa de los ligandos de ácido oleico (OA) prístinos unidos dinámicamente, en lugar de sustituirlos por sus homólogos hidrolizados más cortos, lo que, según los académicos, crea defectos de vacantes superficiales «extensos» para recolectar portadores de energía.
El grupo de investigación identificó el benzoato de metilo (MeBz), un compuesto orgánico de éster ampliamente utilizado en la industria de la perfumería, como un antisolvente que garantiza un intercambio «adecuado» de ligandos sin comprometer la integridad del absorbedor de perovskita.
La célula se fabricó con un sustrato de óxido de indio y estaño (ITO), una capa de transporte de electrones (ETL) de óxido de estaño (SnO2), el absorbedor PDQ, una capa de transporte de huecos (HTL) basada en spiro-OMeTAD y un electrodo de oro (Au).
El dispositivo se probó en condiciones de iluminación estándar y se comprobó que alcanzaba una eficiencia de conversión de energía del 18,37 %, con un laboratorio independiente de acreditación de celdas solares no revelado que certificó una eficiencia del 18,30 %.
Este resultado se describe como un récord mundial para las celdas solares PDQ. «Para validar aún más el potencial del intercambio de ligandos basado en AAAH para aplicaciones fotovoltaicas de gran superficie, fabricamos celdas solares de 1 cm², que alcanzaron una eficiencia récord del 15,60 %, lo que pone de relieve la prometedora escalabilidad de esta estrategia», afirmó el equipo, señalando que los dispositivos con mejor rendimiento también alcanzaron una eficiencia en estado estacionario del 17,85 % y una eficiencia media del 17,68 %.
«La dinámica de los portadores de carga reveló que el alto rendimiento fotovoltaico se atribuía al ensamblaje de capas absorbentes de luz con menos defectos, orientaciones cristalográficas homogéneas, aglomeraciones mínimas de PQD y posiciones favorables de los niveles de energía mediante la estrategia AAAH, lo que daba lugar a una recombinación asistida por trampas suprimida y facilitaba la extracción de carga dentro de las PQDSC», concluyeron los investigadores.
La célula se describió en el estudio «Enriching conductive capping by alkaline treatment of perovskite quantum dots towards certified 18.3%-efficient solar cells» (Enriquecimiento del recubrimiento conductor mediante tratamiento alcalino de puntos cuánticos de perovskita para obtener células solares con una eficiencia certificada del 18,3 %), publicado en Nature Communications.
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