Un equipo de investigación del fabricante chino de módulos JA Solar fabricó una célula solar de perovskita invertida basada en una sal orgánica de amonio multifuncional que, según informaron, reduce la recombinación no radiativa y mejora el transporte de portadores en la interfaz entre el absorbedor de perovskita y la capa de transporte de electrones (ETL).
“Nuestro enfoque posibilita la pasivación dual de vacantes de yoduro de plomo (Pb/I) y minimiza la impedancia estérica, lo que eleva la eficiencia de extracción de portadores”, indicó el autor correspondiente de la investigación, Sun Yang, a pv magazine.
Las células de perovskita invertida cuentan con una estructura conocida como “p-i-n”, en la que el contacto selectivo de huecos p se ubica en la parte inferior de la capa intrínseca de perovskita i, y la capa de transporte de electrones n en la parte superior. Las células convencionales de perovskita de haluro tienen la misma estructura pero invertida, es decir, una disposición “n-i-p”. En la arquitectura n-i-p, la célula solar se ilumina por el lado de la capa ETL; en la estructura p-i-n, la iluminación se realiza por la superficie de la capa de transporte de huecos (HTL).
En este tipo de célula, el fulereno optimizado (C60) es actualmente el material de mejor rendimiento usado en la ETL, aunque tiene una fuerte tendencia a agregarse en solución y necesita ser calibrado cuando se combina con la película de perovskita. “Como se sabe, la interfaz perovskita/C60 está afectada por una recombinación no radiativa sustancial, lo que provoca importantes pérdidas de energía que limitan marcadamente la eficiencia y la durabilidad de las células”, explicó el grupo de investigación.
Montaje experimental.
Imagen: JA Solar
Los científicos emplearon una sal orgánica de amonio multifuncional llamada 2-(4-(aminometil)fenil)etil-1-yoduro de amonio, PMEAI, como capa de pasivación para mejorar la ingeniería de interfaz entre la perovskita y el C60.
El grupo construyó la célula con un sustrato de óxido de estaño dopado con flúor (FTO), una capa de transporte de huecos (HTL) formada por una monocapa autoensamblada llamada 4PADCB, un absorbedor de perovskita, la capa de pasivación PMEAI, la ETL de C60, una capa tampón de bathocuproína (BCP) y un contacto metálico de plata.
Probada bajo condiciones estándar de iluminación, el dispositivo alcanzó una eficiencia de conversión de energía del 26,7 %, una tensión de circuito abierto de 1,181 V, una densidad de corriente de cortocircuito de 26,36 mA/cm² y un factor de llenado del 85,8 %. En contraste, los dispositivos de control con otras capas de pasivación registraron una eficiencia inferior del 24,3 %, una tensión de circuito abierto de 1,156 V, una densidad de corriente de 26,05 mA/cm² y un factor de llenado de 80,4 %.
La célula basada en PMEAI logró además una eficiencia certificada del 25,84 %, resultado avalado por el Centro Nacional de Metrología y Ensayos de la Industria Fotovoltaica de China (NPVM), y alcanzó una eficiencia del 24,5 % al escalarse a un área activa de 1 cm².
Gracias a análisis adicionales, los científicos comprobaron que la orientación horizontal del PMEAI suprimió tanto los defectos de vacantes de Pb como de I. Además, indujo una reversión del campo eléctrico interno en la interfaz perovskita/C60, minimizando las pérdidas por recombinación interfacial.
“El campo eléctrico interfacial, invertido por PMEAI para señalar desde el C60 hacia la perovskita, acelera de forma significativa la extracción de electrones y suprime la recombinación, lo que permite superar las limitaciones clásicas impuestas por las capas de pasivación en la densidad de corriente y el factor de llenado”, señaló Yang.
La célula retuvo el 97 % de su eficiencia inicial tras 1.500 horas a 65 °C.
El dispositivo se describe en “Interface Molecular Orientation Engineering Induced Field Reversal for Efficient Inverted Perovskite Solar Cells” (Ingeniería de orientación molecular de la interfaz para la inversión del campo inducida en células solares de perovskita invertidas eficientes), publicado en Energy & Environmental Science.
“El conjunto de este trabajo establece un paradigma para el diseño de materiales interfaciales que integra de forma sinérgica baja impedancia estérica, pasivación de defectos y supresión de la degradación inducida por migración de iones, para avanzar en la fotovoltaica de perovskita de alto rendimiento”, concluyeron los investigadores.
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