KAUST construye una célula solar en tándem de perovskita-perovskita-silicio con una eficiencia del 31,5%

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Investigadores de la Universidad Rey Abdullah de Ciencia y Tecnología (KAUST) de Arabia Saudí han fabricado una célula solar en tándem semitransparente de cuatro terminales (4T) de perovskita-perovskita-silicio con un área activa de 1 cm2.

“Después de las células solares de doble unión perovskita/silicio vienen los tándems de triple unión perovskita/perovskita/silicio”, declaró a pv magazine el autor principal de la investigación, Stefaan De Wolf. “Sin embargo, la compatibilidad de procesamiento puede ser un reto importante al depositar tantas capas, donde en particular la unión de recombinación entre la célula superior de perovskita y la célula intermedia de perovskita puede ser un desafío. Además, con este método, la célula superior se deposita sobre vidrio, lo que abre el espacio de diseño hacia células superiores robustas y de alta eficiencia”.

Los científicos señalaron que la característica clave del nuevo dispositivo en tándem era la capa de transporte de huecos (HTL) de la célula superior, que se diseñó con monocapas autoensambladas (SAM, por sus iniciales en inglés) basadas en un compuesto conocido como poli(9, 9-bis(3′-(N,N-dimetil)-N-etilammoinio-propil-2,7-fluoreno)-alt-2,7-(9,9 dioctilfluoreno))dibromuro (PFN-Br), que a su vez se combinó con óxido de níquel (NiOx) pulverizado.

La célula solar de perovskita superior se construyó con un sustrato de vidrio y óxido de indio y estaño (ITO), el HTL basado en carbazol (2PACz), PFN-Br y NiOx, un absorbedor basado en un material de perovskita conocido como Cs0,1FA0,9PbI1Br1. 96Cl0.04, una capa de transporte de electrones basada en buckminsterfullereno (C60) y una capa de óxido de estaño (IV) (SnO2), un electrodo ITO, un contacto metálico de plata (Ag) y un revestimiento antirreflectante basado en fluoruro de magnesio (MgF2).

Este dispositivo alcanzó una eficiencia de conversión de potencia del 14,3%, una tensión de circuito abierto de 1,402 V, una densidad de corriente de cortocircuito de 12,5 mA/cm2 y un factor de llenado del 81,5%.

El dispositivo de perovskita medio y la célula de silicio inferior se integraron en una célula monolítica en tándem de perovskita/silicio que alcanzó una eficiencia del 17,2%, una tensión en circuito abierto de 1,783 V, una densidad de corriente en cortocircuito de 11,6 mA/cm2 y un factor de llenado del 83,0%.

El dispositivo en tándem alcanzó una eficiencia del 31,5%, la mayor registrada hasta la fecha en células solares en tándem de 4 T y triple unión basadas en perovskita. Además, descubrieron que todos los dispositivos eran capaces de conservar el 80% de su eficiencia inicial tras 1.500 minutos de seguimiento del punto de máxima potencia, lo que describieron como un resultado “significativo” para el material de perovskita orgánico-inorgánico de 2,0 eV de banda prohibida que eligieron para la célula superior.

“El HTL mostró una amplia distribución en todos los parámetros fotovoltaicos, con un tercio de los dispositivos totalmente en derivación”, explican los investigadores. “Este rendimiento totalmente derivado tiene su origen en las películas de perovskita no totalmente cubiertas del dispositivo, atribuido a la superficie hidrófoba de los sustratos ITO anclados con 2PACz”.

La nueva célula se describe en el artículo “Four-Terminal Perovskite/Perovskite/Silicon Triple-Junction Tandem Solar Cells with over 30% Power Conversion Efficiency“, publicado en ACS Energy Lett. “Los resultados subrayan el potencial de las células solares en tándem de triple unión y destacan la importancia de unas capas de interconexión adecuadas entre perovskita y perovskita en las células solares monolíticas 3-J para liberar todo su potencial”, concluyen los académicos.

En enero, la KAUST anunció que había fabricado una célula solar de triple unión perovskita-perovskita-silicio con una eficiencia de conversión de potencia del 26,4%. En mayo de 2023, logró una eficiencia del 33,7% para una célula solar en tándem de perovskita-silicio.

Unos meses antes, la universidad saudí anunció una eficiencia del 28,1% para una célula solar en tándem de perovskita-silicio basada en obleas de silicio texturadas. En agosto de 2022, afirmó una eficiencia del 26,2% para un dispositivo fotovoltaico monolítico en tándem de perovskita-silicio.

En diciembre de 2021, los investigadores de la KAUST lograron una eficiencia de conversión de potencia del 28,2% para una célula solar en tándem con un área de alrededor de 1 cm2, basada en una perovskita n-i-p apilada sobre una heterounión de silicio.

El mismo grupo de investigación anunció recientemente una célula solar en tándem invertida de perovskita-silicio con una capa intermedia de 1 nm a base de fluoruro de magnesio (MgFx) colocada entre la capa de perovskita y la capa de transporte de huecos (HTL) para reducir las pérdidas de tensión.

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