Una célula solar de perovskita invertida sin metilamonio alcanza una eficiencia del 23,17%

Investigadores del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales (NIMS) de Japón han fabricado una célula solar con una disposición “n-i-p” y un material de perovskita que no contiene moléculas de metilamonio (MA). Estas moléculas tienen inestabilidad térmica intrínseca y contribuyen a aumentar la inestabilidad térmica típica de los dispositivos fotovoltaicos de perovskita.

En la arquitectura n-i-p o “invertida”, la célula solar se ilumina a través del lado de la capa de transporte de electrones (ETL, por sus siglas en inglés); en la estructura p-i-n, se ilumina a través de la superficie de la capa de transporte de huecos (HTL).

Los científicos explicaron que construyeron la célula con una nueva técnica de pasivación de defectos regulada por enlace/carga que consiste en introducir moléculas bifuncionales en el absorbedor de perovskita. “Demostramos que las distintas propiedades moleculares conducen a diferencias claras en el crecimiento de la película, la distribución del material y las características del dispositivo”, explicaron. “La pasivación molecular bifuncional afecta significativamente a la morfología de la película y a la química de la superficie por su basicidad y energía de adsorción”.

En concreto, utilizaron moléculas con un núcleo alquílico conocido como dihidrioduro de piperazina (PZDI), que, según dijeron, mitiga los defectos superficiales y de masa, al tiempo que modifica la química superficial o la banda de energía interfacial.

El grupo diseñó la célula con un sustrato de óxido de indio y estaño (ITO), una capa de transporte de huecos (HTL) de óxido de níquel(II) (NiOx), una capa de dimetoxi carbazol (MeO-2PACz), el absorbedor de perovskita, una capa de pasivación interfacial (IPL) basada en las moléculas bifuncionales, una capa de transporte de electrones (ETL) basada en un buckminsterfullereno (C60), una capa amortiguadora de bathocuproine (BCP) y un contacto metálico de plata (Ag).

Probada en condiciones de iluminación estándar, una célula solar de 1 cm2 construida con esta configuración mostró una eficiencia de conversión de potencia del 23,17% y un bajo déficit de tensión en circuito abierto de unos 0,327 V. Los académicos también descubrieron que el dispositivo mostraba una histéresis J-V insignificante y una estabilidad operativa del dispositivo “superior” bajo estrés por calor y humedad en comparación con los dispositivos de control.

Presentaron el nuevo diseño de célula en el estudio “Defect passivation in methylammonium/bromine free inverted perovskite solar cells using charge-modulated molecular bonding” (Pasivación de defectos en células solares de perovskita invertida sin metilamonio/bromo mediante enlaces moleculares de carga modulada), publicado en nature communications. “Estos resultados indican que el tratamiento superficial con PZDI es propicio para la pasivación de defectos debido a una unión de nitrógeno localizada más fuerte en la película de perovskita de haluro y, por lo tanto, conduce a la superioridad del rendimiento del dispositivo”.

En octubre de 2022, el NIMS presentó una célula solar de perovskita sin MA para mejorar la estabilidad térmica del dispositivo. Los científicos utilizaron pentafluorofenilhidrazina (5F-PHZ) en lugar de MA para la pasivación interfacial de la capa de perovskita y construyeron una célula con una estructura de dispositivo p-i-n y una superficie de 1 cm2.