Una célula solar de perovskita invertida logra una eficiencia del 25,1% gracias a una nueva técnica de pasivación

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Un grupo de investigadores dirigido por la Universidad Northwestern de Estados Unidos ha anunciado que ha logrado una eficiencia de conversión de energía del 25,1% para una célula solar de perovskita con una configuración invertida.

El Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) del Departamento de Energía estadounidense ha certificado el resultado.

Las células de perovskita invertida tienen una estructura de dispositivo conocida como “p-i-n”, en la que el contacto selectivo de huecos p está en la parte inferior de la capa intrínseca de perovskita 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).

“Las células solares de perovskita invertida son conocidas por su impresionante estabilidad, pero se han visto frenadas por su menor eficiencia a la hora de transformar la luz solar en electricidad”, explicó a la revista pv Cheng Liu, autor principal de la investigación. “Este problema surge principalmente en el punto donde la capa de perovskita se encuentra con la capa de transporte de electrones, lo que provoca una pérdida de energía en lugar de convertirla en energía útil. La pérdida de energía se debe principalmente a la recombinación de portadores, sobre todo en la interfaz entre la perovskita y la capa de transporte de electrones”.

El grupo de investigación utilizó un par de moléculas especiales en la interfaz para abordar el complejo problema de la recombinación de portadores. “En primer lugar, utilizamos moléculas de metiltio modificadas con azufre para pasivar los defectos superficiales y suprimir la recombinación mediante una fuerte coordinación y enlace de hidrógeno”, explicó Liu. “En segundo lugar, utilizamos moléculas de diamonio para repeler los portadores minoritarios y reducir la recombinación de la interfaz inducida por contacto conseguida mediante la pasivación de efecto de campo”.

Los científicos construyeron la célula con un sustrato de óxido de estaño dopado con flúor (FTO), una capa de transporte de huecos (HTL) de óxido de níquel(II) (NiOx) y un ácido fosfónico llamado carbazol metil-sustituido (Me-4PACz), un absorbente de perovskita, la capa de pasivación, una capa de transporte de electrones (ETL) de buckminsterfullereno (C60), una capa tampón de bathocuproine (BCP) y un contacto metálico de plata (Ag).

Según los investigadores, su método de pasivación permitió quintuplicar el tiempo de vida de los portadores y triplicar las pérdidas de rendimiento cuántico por fotoluminiscencia. Como resultado, las células solares de perovskita invertida mantuvieron un funcionamiento estable a 65 ºC durante más de 2.000 h.

“Es la primera vez que las células solares de perovskita invertida superan la barrera del 25% de eficiencia siguiendo un riguroso protocolo de exploración asintótica de máxima potencia”, afirmó Liu, señalando que el récord anterior era del 24,1%.

Con esta célula, el equipo de investigación también fabricó células solares en tándem totalmente de perovskita con una eficiencia de hasta el 28,1%, una tensión de circuito abierto de 2,14 V, una densidad de corriente de cortocircuito de 15,6 mA cm2 y un factor de llenado del 84,0%.

“Consideramos que el enfoque de la pasivación multimolécula, junto con diversas funcionalidades, es una dirección prometedora para explorar estrategias de pasivación de próxima generación con el fin de lograr un mayor rendimiento y estabilidad en la optoelectrónica de perovskita”, explicó Liu.

El equipo de investigación presentó la nueva tecnología de células solares en el artículo “Bimolecularly passivated interface enables efficient and stable inverted perovskite solar cells” (La interfaz pasivada bimolecularmente permite células solares de perovskita invertida eficientes y estables), publicado recientemente en Science.

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