Un grupo de investigadores de la Universidad china de Hangzhou Dianzi ha desarrollado una célula solar de perovskita invertida basada en una capa de transporte de huecos (HTL, por sus iniciales en inglérs) con una monocapa autoensamblada (SAM) destinada a pasivar defectos y aumentar la eficiencia.
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 HTL.
«Con la introducción de la SAM, la eficiencia de conversión fotoeléctrica de las células solares de perovskita invertida mejora considerablemente como material HTL, pero se formarán cúmulos cuando la SAM supere una determinada concentración en la solución», explicó a pv magazine el autor correspondiente de la investigación, Yue Zhang. «Estos fenómenos de formación de cúmulos provocan una unión débil entre el grupo de anclaje fosfato de la parte inferior de SAM y el óxido de indio y estaño (ITO), lo que afecta enormemente a la cobertura de SAM sobre el sustrato ITO, con la consiguiente pérdida de eficiencia en la extracción de portadores».
Los científicos adoptaron una «estrategia de SAM coensamblada (Co-SAM)» consistente en seleccionar material aditivo para mezclarlo con una SAM común basada en una capa de MeO-2PACz, también conocido como [2-(3,6-Dimetoxi-9H-carbazol-9-il)etil]ácido fosfónico. Se eligió esta estrategia para lograr una cobertura óptima de SAM.
Los académicos diseñaron la célula con un sustrato de vidrio y óxido de indio y estaño (ITO), la capa MeO-2PACz, el absorbedor de perovskita, una capa basada en yoduro de fenetilamonio (PEAI), una ETL basada en éster metílico del ácido fenil-C61-butírico (PCBM), una capa tampón de batocuproína (BCP) y un contacto metálico de plata (Ag).
El grupo investigó los cristales de perovskita mediante microscopía electrónica de barrido (SEM), difracción de rayos X (XRD) y fotoluminiscencia (PL), y descubrió que el tamaño de grano de la perovskita tratada con Co-SAM aumentaba en cierta medida, suprimiéndose el fenómeno del agujero de la interfaz enterrada y siendo más vertical la disposición de los granos de la sección transversal. «Estos resultados pueden atribuirse a la mejora de la cobertura de SAM», dijo Zhang.
«A continuación, medimos la célula mediante microscopía de fuerza de sonda Kelvin (KPFM) y mediciones de absorción transitoria (TA) de femtosegundos (fs), y observamos que la diferencia de potencial de contacto (CPD) de las películas tras el tratamiento con Co-SAM disminuía, lo que indicaba que el aumento de la función de trabajo era beneficioso para una mejor adaptación de los niveles de energía y, por tanto, aumentaba la velocidad de transporte de portadores», añadió.
Probada en condiciones de iluminación estándar, la célula alcanzó una eficiencia de conversión energética del 23,31%, una tensión de circuito abierto de 1,18 V, una corriente de cortocircuito de 23,63 A y un factor de llenado del 83,21%. En comparación, un dispositivo de referencia desarrollado sin la estrategia Co-SAM alcanzó una eficiencia de sólo el 21,34%.
«Y con el seguimiento del punto de máxima potencia, la eficiencia puede mantenerse cerca del 90% en condiciones de iluminación durante 500 horas», afirma Zhang.
El nuevo diseño de célula solar se presentó en el estudio «Reconstruction of Hole Transport Layer via Co-Self-Assembled Molecules for High-Performance Inverted Perovskite Solar Cells» (Reconstrucción de la capa de transporte de huecos mediante moléculas coautoensambladas para células solares de perovskita invertida de alto rendimiento), publicado recientemente en la revista científica Nano Micro Small. «Este estudio subraya el potencial de las Co-SAM para afrontar los retos asociados a las HTL basadas en SAM y, al mismo tiempo, lograr un alto rendimiento y estabilidad del dispositivo», concluyen los científicos.
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