Construyen una célula solar de perovskita de plomo y estaño con una eficiencia del 23,2% y una vida útil mejorada

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Un equipo internacional de investigación liderado por la Universidad de Surrey con el Imperial College de Londres ha identificado una estrategia para mejorar tanto el rendimiento como la estabilidad de las células solares de perovskita de plomo y estaño, logrando un dispositivo campeón con una eficiencia de conversión de potencia del 23,2%, lo que dice que es uno de «los mejores resultados» logrados con este material y «lo que es más importante, una estrategia de diseño que mejora la vida útil de estos dispositivos en un 66%».

Los investigadores construyeron la célula con una capa de transporte de huecos (HTL) basada en PEDOT:PSS, un polímero conocido por sus propiedades de bajo costo y fácil preparación, y dijeron que este material se utiliza ampliamente para las perovskitas de banda estrecha mixtas de plomo y estaño que se emplean en todas las células solares en tándem de perovskita y también en las células solares multiunión.

«Se prevé que esta subcélula sustituya al silicio en las actuales células tándem y multiunión basadas en perovskita», declaró a pv magazine Imalka Jayawardena, coautora del estudio.

El equipo investigó la pérdida de rendimiento y los mecanismos de menor estabilidad de la optoelectrónica de perovskita basada en PEDOT:PSS. Observaron que los cationes orgánicos que contienen aminas degradan el PEDOT:PSS. Puede «recuperarse parcialmente con aditivos de tiocianato», pero la mejora se produce a expensas de la estabilidad del dispositivo debido a la formación de cianógeno por la interacción tiocianato-yodo, que, según el equipo, se acelera en presencia de humedad.

«Nuestro trabajo demuestra que los cationes orgánicos pueden difundirse en el PEDOT:PSS, lo que provoca una pérdida de eficacia», explica Jayawardena. «También demostramos que este proceso de difusión puede aliviarse con un aditivo de tiocianato. Sin embargo, el tiocianato también puede acelerar la degradación de la célula solar de perovskita en el proceso de cualquier humedad para el que hemos demostrado una solución».

El mayor reto fue aislar los factores que podían enmascarar el mecanismo real de difusión y degradación, según Jayawardena.

El equipo observó que, en presencia de humedad, los tiocianatos forman cianógenos, que aceleran la degradación de la perovskita, independientemente de la capa de transporte de huecos utilizada. También explicó que la eficiencia de los dispositivos y la estabilidad de las perovskitas de plomo y estaño en condiciones ambientales podrían mejorarse con la reducción del yodo en el interior del bulto como estrategia clave.

«Para mitigar esta vía de degradación, incorporamos un reductor de yodo en las PSC de plomo-estaño. Los dispositivos resultantes presentan una eficiencia de conversión de potencia mejorada del 23,2%, una de las más altas registradas en PSC de plomo y estaño», afirma el equipo, que añade que esto se tradujo en una mejora del 66% de la vida útil del TS80 en condiciones ambientales y de seguimiento del punto de máxima potencia.

Además, los dispositivos campeones de laboratorio tenían una tensión de circuito abierto de 0,875 V, una densidad de corriente de cortocircuito de 31,84 mA cm-2 y un factor de llenado del 83,23%. «En comparación, un dispositivo de control mostró una eficiencia inferior, del 21,86%, con una densidad de corriente de cortocircuito de 31,53 mA cm-2, una tensión de circuito abierto de 0,852 V y un factor de llenado del 81,41%», explican los investigadores.

De cara al futuro, los investigadores pretenden identificar aditivos que mejoren la estabilidad de los absorbentes de perovskita, alternativas al PEDOT:PSS, y desarrollar minimódulos con sistemas de disolventes ecológicos. «En Surrey estamos llevando a cabo pruebas de estrés acelerado en condiciones más exigentes», explica Jayawardena, quien añade que está previsto realizar pruebas de alta humedad y temperatura, así como un banco de pruebas al aire libre para evaluar los minimódulos del equipo.

El novedoso concepto de célula se presentó en el estudio «23.2% efficient low band gap perovskite solar cells with cyanogen management» (Células solares de perovskita con banda prohibida baja y eficiencia del 23,2 % con gestión del cianógeno), publicado en Energy Environmental Science. El equipo de investigación estaba formado por científicos de la Universidad de Sichuan, el Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido, la Universidad de Cambridge, la London South Bank University, el University College London, el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) del Departamento de Energía de EE.UU. y Fluxim AG,

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