Un grupo internacional de investigación ha intentado resolver uno de los problemas de comercialización de las células solares de perovskita: mantener una alta eficiencia al pasar de células a módulos.
“La transición de células a escala de laboratorio a módulos más grandes plantea una notable pérdida de eficiencia”, explicó a pv magazine el autor principal de la investigación, Yi Yang. “Recientemente se ha observado que la mayor eficiencia certificada estabilizada por área de apertura de los módulos solares de perovskita de más de 30 cm2 se estabiliza en torno al 19,5%. Esto se debe en parte a los defectos que surgen durante el procesamiento de la solución”.
Los aditivos utilizados en investigaciones anteriores tendían a agregarse dentro de la película de perovskita durante la coprecipitación en el curso de la evaporación del disolvente, según Yang. “Esto nos llevó a formular una hipótesis: explorar métodos de procesamiento alternativos, además de la precipitación evaporativa y la cristalización utilizadas habitualmente, podría reducir los defectos y la presencia de inclusiones aislantes”, explica Yang.
Los académicos utilizaron cristales líquidos termotrópicos para evitar la precipitación evaporativa de los aditivos convencionales y la típica acumulación en la interfaz para permitir la pasivación uniforme de las películas de perovskita de gran superficie. “El enfoque logró una eficiencia de barrido rápido del 21,8% y una eficiencia estabilizada del 21,1% para minimódulos de perovskita de 30 cm2 con estabilidad mejorada”, afirma Yang.
En concreto, el equipo trabajó con cristales líquidos termotrópicos, como el 3,4,5-trifluoro-4′-(trans-4-propilciclohexil)bifenilo (TFPCBP), incrustando el material en las películas de perovskita de gran superficie.
Las células se fabricaron en una configuración n-i-p, empleando un sustrato de óxido de estaño dopado con flúor (FTO), una capa de transporte de electrones (ETL) basada en un buckminsterfullereno (C60) y óxido de estaño (IV) (SnO2), un absorbedor de perovskita, una capa de transporte de huecos Spiro-OMeTAD y un contacto metálico de oro (Au).
Los módulos solares de perovskita constaban de seis y nueve subceldas conectadas en serie sobre sustratos de 5 cm × 5 cm y 6,5 cm × 7 cm, respectivamente.
El equipo seleccionó cristales líquidos termotrópicos por su “característica transición de fase mesomórfica de un sólido a una fase líquida isotrópica cuando se calientan”. Permanecen en la fase líquida mientras la perovskita se solidifica. “La eficaz difusión dentro de un sistema mixto líquido-sólido permitió que las moléculas de TFPCBP se distribuyeran uniformemente por toda la película para una pasivación homogénea de los defectos”, explicó Yang.
Los investigadores realizaron varias pruebas de estabilidad de las células y módulos tratados, incluidas pruebas de polarización inversa, y obtuvieron resultados superiores. Por ejemplo, la estabilidad al calor húmedo de los módulos encapsulados se comprobó mediante el procedimiento ISOS-D-3, sometiéndolos a un 85% de humedad relativa a 85 ºC. “Los módulos basados en TFPCBP conservaron el 86% de su eficiencia inicial tras 1.200 h, frente al 51% de retención del control”, señalaron los investigadores, añadiendo que “representa la estabilidad al calor húmedo más duradera de la bibliografía entre los módulos solares de perovskita n-i-p”.
El equipo ve la posibilidad de transferir la tecnología a procesos de recubrimiento de moldes de ranura para fabricar submódulos de perovskita de mayor superficie. Además, Yang ve posibilidades de seguir explorando la funcionalidad y la estructura de fase de las moléculas de cristal líquido para mejorar los efectos de pasivación y la estabilidad de los dispositivos.
Sus hallazgos aparecen en el estudio “A thermotropic liquid crystal enables efficient and stable perovskite solar modules” (Un cristal líquido termotrópico permite módulos solares de perovskita eficientes y estables), publicado en Nature Energy. Los científicos proceden de la Universidad Northwestern, el Instituto Federal Suizo de Tecnología de Lausana, la Universidad de Energía Eléctrica del Norte de China, la Universidad de Toronto y el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de Estados Unidos.
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