Investigadores de la Universidad de Nankai y del Instituto Tecnológico de Pekín, en China, afirman haber alcanzado un récord mundial de eficiencia de conversión de energía para una célula solar de perovskita con arquitectura invertida.
Las células de perovskita invertidas tienen una estructura de dispositivo conocida como «p-i-n», en la que el contacto p selectivo de huecos se encuentra en la parte inferior de la capa de perovskita intrínseca i, con la capa de transporte de electrones n en la parte superior. Las células de perovskita de haluro convencionales tienen la misma estructura, pero invertida: una disposición «n-i-p». En la arquitectura n-i-p, la célula solar se ilumina a través del lado de la capa de transporte de electrones (ETL); en la estructura p-i-n, se ilumina a través de la superficie de la capa de transporte de huecos (HTL).
Aunque las células solares de perovskita invertida han mostrado rápidos aumentos de eficiencia en los últimos años, estos dispositivos siguen estando por detrás de sus homólogos n-i-p, debido a las persistentes pérdidas por recombinación no radiativa que se producen en la interfaz texturizada entre la ETL y el absorbedor de perovskita. «Las investigaciones anteriores habían tenido dificultades para identificar los mecanismos físicos que provocan estas pérdidas», explicó el equipo de investigación. «Con nuestro trabajo, hemos demostrado que la desalineación de las bandas de energía y la acumulación de electrones en la interfaz enterrada actúan conjuntamente para acelerar el atrapamiento de portadores y la recombinación interfacial, lo que en última instancia limita la eficiencia del dispositivo».
Los científicos investigaron, en particular, la interacción entre una ETL de óxido de estaño (SnO₂) y la interfaz de perovskita. Descubrieron que la desalineación de redes y la acumulación de electrones aumentan conjuntamente la recombinación no radiativa, reduciendo la eficiencia de la célula.
A continuación, el grupo examinó el mecanismo de crecimiento de las películas de SnO₂ depositadas por baño químico y estableció vínculos entre la química de los ligandos, la concentración de vacantes de oxígeno y la estructura de bandas de energía del material. Basándose en estos hallazgos, desarrollaron una estrategia de «control de la competencia y combinación de ligandos» para fabricar una ETL de SnO₂ dopada con gradiente continuo que presenta una transición de una región ligeramente dopada a una región fuertemente dopada.
«Esta arquitectura degradada minimiza simultáneamente el desplazamiento de bandas y acelera la extracción de electrones, suprimiendo así eficazmente la recombinación entre interfaces», explicaron los académicos, señalando que la estructura de célula propuesta logra una transición exitosa desde una región n ligeramente dopada cerca de la interfaz de perovskita a una región fuertemente dopada más alejada, lo que ayuda a reducir simultáneamente el desajuste interfacial y la acumulación de electrones.
Probada en condiciones de iluminación estándar, la célula solar alcanzó una eficiencia de conversión de energía certificada del 27,17 %, estableciendo un nuevo récord de eficiencia para la arquitectura de dispositivo invertida. El dispositivo también ofreció una eficiencia de barrido inverso del 27,50 %, lo que significa que alcanzó una eficiencia aún mayor cuando la medición de corriente-voltaje se realizó mediante un barrido de alto voltaje a bajo voltaje. Los investigadores suelen informar tanto de los valores de barrido directo como de los de barrido inverso para las células solares de perovskita, ya que la tecnología puede presentar histéresis, en la que el rendimiento medido varía en función de la dirección del barrido y las condiciones de medición.
Los investigadores también lograron una eficiencia de conversión de energía del 25,79 % para un dispositivo de unión única de 1 cm², lo que indica que el enfoque de ingeniería de la interfaz sigue siendo muy eficaz a escala de laboratorio. También fabricaron un módulo de perovskita más grande con un área de apertura de 16,02 cm², que alcanzó una eficiencia del 23,33 %.
«Nuestra investigación ha disipado la “niebla de rendimiento” que rodeaba desde hacía tiempo a los dispositivos de estructura formal a nivel mecánico, abriendo una nueva vía universal y eficaz para el diseño racional de capas de transporte de electrones en dispositivos de perovskita invertida», concluyeron los académicos. «Se espera que este avance proporcione el respaldo técnico necesario para la alta estabilidad y la producción a gran escala de módulos fotovoltaicos de perovskita».
El nuevo diseño de célula solar se presentó en el artículo «Continuously graded-doped SnO2 for efficient n–i–p perovskite solar cells» (SnO2 dopado con gradiente continuo para células solares de perovskita n–i–p eficientes), publicado en nature.
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