Científicos de la Universidad china de Huaqiao han diseñado una célula solar de perovskita que utiliza una capa intermedia selectiva de huecos que inhibe la difusión de iones para aumentar la estabilidad del dispositivo.
La migración de iones se considera la principal causa de inestabilidad de las células solares de perovskita. Se produce cuando la suave red cristalina y los enlaces relativamente débiles de la película de perovskita conducen a bajas energías de formación de defectos, por lo que el calor y la luz podrían activar fácilmente los defectos iónicos dentro de la red de perovskita. La acumulación de iones deforma la estructura cristalina local y degrada la película de perovskita, tanto la capa de transporte de electrones (ETL) como la capa de transporte de huecos (HTL), así como los electrodos.
«La idea de incorporar una capa intermedia selectiva de huecos en las células solares de perovskita se inspiró en las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM), en las que la PEM sirve de conductora de protones a la vez que bloquea la difusión de otras especies químicas», explican los investigadores. «Diseñar barreras internas que bloqueen la difusión de iones entre capas es de vital importancia para mejorar la vida útil de las células solares de perovskita».
El equipo de investigación construyó la capa intermedia selectiva de agujeros con un material polimérico ultrafino conocido como PDTBT2T-FTBDT (D18), que supuestamente ofrece una cobertura conforme en la superficie de la película de perovskita debido a la gran fluidez de su solución diluida. También presenta una alineación de niveles de energía coincidente con el absorbente de perovskita y el HTL Spiro-OMeTAD.
Los investigadores depositaron la capa intermedia mediante el recubrimiento por rotación de una solución caliente de clorobenceno (CB) de D18 sobre la película de perovskita, lo que supuestamente condujo a la formación de una membrana densa. Construyeron la célula solar con un sustrato de vidrio y óxido de estaño dopado con flúor (FTO), un ETL basado en óxido de estaño (SnO2), un absorbente de perovskita, la capa intermedia de D18, el HTL Spiro-OMeTAD y un contacto metálico de oro (Au).
El grupo evaluó la eficacia de la capa intermedia para impedir la difusión de iones y descubrió que ofrece un rendimiento superior al de los polímeros P3HT y PTAA, los más utilizados. «Los resultados demuestran que la capa de D18 tiene una gran capacidad para bloquear iones en condiciones de estrés térmico», explica. «El D18 está en estrecho contacto con el grano de perovskita y el límite del grano, proporcionando una cobertura conforme».
La célula solar de 0,12 cm2 propuesta se probó en condiciones de iluminación estándar y alcanzó una eficiencia de conversión energética del 26,39%, una tensión de circuito abierto de 1,185 V, una corriente de cortocircuito de 26,54 mA cm-2 y un factor de llenado del 83,92%. En comparación, una célula de referencia construida sin la capa D18 alcanzó una eficiencia del 24,43%, una tensión de circuito abierto de 1,152 V, una corriente de cortocircuito de 26,39 mA cm-2 y un factor de llenado del 80,37%.
«Hemos demostrado que la introducción de la capa intermedia polimérica D18 puede bloquear eficazmente la difusión de iones capa a capa dentro de las células solares de perovskita, manteniendo al mismo tiempo un transporte de huecos altamente eficiente, lo que conduce a una estabilidad significativamente mejorada de las células n-i-p con una eficiencia certificada de más del 26%», dijeron los investigadores, señalando que la célula también fue capaz de retener el 95,4% de su eficiencia inicial después de 1.100 h.
También afirmaron que el dispositivo es actualmente la célula solar de perovskita «más estable» con altos niveles de eficiencia.
El nuevo concepto de célula se presentó en el estudio «Ultrathin polymer membrane for improved hole extraction and ion blocking in perovskite solar cells» (Membrana de polímero ultrafina para una mejor extracción de agujeros y bloqueo de iones en células solares de perovskita), publicado recientemente en Nature Communications.
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