Revelan los detalles técnicos de una célula solar tándem de perovskita-silicio con una eficiencia del 31,25%

El Centro Suizo de Electrónica y Microtecnología (CSEM) y la École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) anunciaron en junio de 2022 que habían logrado una eficiencia de conversión de potencia del 31,25% para una célula solar de perovskita-silicio en tándem de 1 cm2, lo que según ellos representaba, en aquel momento, un récord mundial para un dispositivo fotovoltaico de este tipo.

Sin embargo, las dos instituciones científicas no dieron a conocer muchos detalles sobre la tecnología de la célula ni sobre cómo se había hecho posible el nuevo récord. Ahora, más de un año después, presentan la célula y los procesos de fabricación relacionados en el artículo “Interface passivation for 31.25%-efficient perovskite/silicon tandem solar cells” (Pasivación de interfaces para células solares en tándem de perovskita/silicio con una eficiencia del 31,25%), publicado la semana pasada en Science.

“Nuestro equipo adoptó un enfoque pionero al diseñar una célula solar en tándem con una capa de perovskita revestida conformemente sobre una célula inferior de silicio”, explicó a pv magazine Xin-Yu Chin, autor principal de la investigación. “La célula inferior de silicio presentaba pirámides micrométricas, una modificación estándar en la industria que mejora su generación de fotocorriente”.

Uno de los principales problemas de las células en tándem de perovskita/silicio son las pérdidas por recombinación que se producen en la superficie superior de la perovskita, que interactúa con el contacto selectivo de electrones. La recombinación es un proceso en el que los portadores de carga fotogenerados -electrones y huecos- se recombinan antes de poder ser recogidos y utilizados para producir electricidad, lo que provoca pérdidas de eficiencia. “Para resolver este problema, incorporamos un aditivo a la secuencia de procesamiento, que resultó decisivo para regular el proceso de cristalización de la perovskita”, explica Chin. “Este paso pasivó eficientemente la interfaz, mitigando eficazmente las pérdidas por recombinación que dificultan el rendimiento general de la célula”.

Los científicos utilizaron un ácido fosfónico conocido como ácido 2,3,4,5,6-pentafluorobenzilfosfónico (FBPAc) para pasivar el absorbedor de perovskita y otro ácido fosfónico llamado carbazol metil-sustituido (Me-4PACz) para obtener defectos interfaciales pasivados en la capa de transporte de huecos (HTL).

La célula se basa en un sustrato de vidrio y óxido de indio y estaño (ITO), una HTL de Me-4PACz, un absorbedor fabricado con la perovskita FABr:FAI con un bandgap energético de 1,70 eV, una capa de transporte de electrones de buckminsterfullereno (C60), una capa tampón de batocuproína (BCP) y un electrodo superior de cobre (Cu).

Probado en condiciones de iluminación estándar, el dispositivo mostró una eficiencia del 31,25%, una tensión de circuito abierto de 1,91 V, una corriente de cortocircuito de 20,47 mA/cm2 y un factor de llenado del 79,8%, todo ello certificado por el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) del Departamento de Energía de Estados Unidos.

“El uso de Me-4PACz reduce las pérdidas de tensión en la interfaz perovskita/HTL, mientras que la inclusión de FBPAc en la secuencia de deposición de la perovskita reduce las pérdidas de tensión en la interfaz perovskita/C 60 ETL y conduce a microestructuras de perovskita más favorables con dominios más grandes”, destacaron los investigadores, añadiendo que el resultado también indica que la tecnología está preparada para avanzar a la siguiente fase de su desarrollo, que requiere un enfoque central en los aspectos de estabilidad y escalabilidad.

“Es probable que la tecnología necesite aún entre 5 y 10 años para entrar en el mercado. Las soluciones industriales existentes ya son aplicables a todos los materiales de película fina utilizados en la célula solar en tándem, como ejemplifican los recientes resultados de Oxford PV”, añadió Chin. “La principal preocupación que debe abordar la comunidad científica es la estabilidad del material de perovskita. ¿Pueden estos materiales ser lo suficientemente estables como para aguantar más de 20 años en aplicaciones prácticas? Esta es la cuestión fundamental que determinará el éxito comercial y el impacto de esta tecnología”.