Tongwei alcanza una eficiencia del 31,4% en célula solar en tándem de perovskita-silicio

Científicos en China, liderados por un equipo de investigación del Centro de Tecnología Fotovoltaica de Tongwei Co., Ltd., una unidad del fabricante solar chino verticalmente integrado Tongwei, emplearon un proceso de recocido secuencial a menor temperatura para fabricar células solares en tándem de dos terminales, que incorporaron una celda superior de perovskita de banda prohibida ancha (1,73 eV) sobre una celda inferior comercial de silicio cristalino heterounión (SHJ) totalmente texturizada.

“Con un proceso de recocido secuencial cuidadosamente modulado en condiciones ambientales, obtenemos películas de perovskita de banda prohibida ancha de alta calidad, crecidas de forma conformal sobre sustratos de silicio totalmente texturizados, con defectos reducidos y distribución química homogénea. Esto permite alcanzar estructuras en tándem perovskita-silicio con una eficiencia de conversión certificada (PCE) del 31,4%, que se encuentra entre los dispositivos en tándem más eficientes que utilizan subceldas comerciales de silicio”, declaró a pv magazine Yuchao Hu, autor corresponsal de la investigación.

El dispositivo en tándem campeón fue certificado por el Instituto Nacional de Tecnología de Medición y Ensayo (NIMTT) y por el Instituto de Metrología de Fujian (FJIM).

La investigación se describe en “Crystallization Modulation of Wide-Bandgap Perovskites on Textured Silicon for Tandem Solar Cells” (Modulación de la cristalización de perovskitas de banda ancha sobre silicio texturizado para células solares en tándem), publicada en ACS Energy Letters.

Conscientes de los desafíos de emplear un método convencional de evaporación y solución en dos pasos para formar perovskitas de banda prohibida ancha sobre celdas inferiores comerciales de silicio SHJ, el equipo de investigación analizó maneras de superar los efectos complejos de la humedad y el calor en la cristalización y degradación de las películas de perovskita.

El grupo investigó el proceso de transición de fase de la perovskita para revelar el mecanismo de la cinética de cristalización, “aclarando los mecanismos de influencia de condiciones externas”, tales como la humedad y la temperatura, en la cristalización de las películas.

“Para superar este problema complejo, desarrollamos una estrategia de cristalización secuencial y logramos modulaciones finas tanto en la difusión de haluros orgánicos como en los procesos de recristalización de perovskita. Esta estrategia innovadora permitió la fabricación de películas de perovskita de banda prohibida ancha de alta calidad, conformalmente crecidas sobre celdas de silicio con grandes pirámides, con componentes químicos homogéneos y defectos reducidos”, especificó Hu.

Se trata de una estrategia con potencial de transferencia industrial. “El proceso de recocido requiere temperaturas tan bajas como 100–150 ºC y tiempos de menos de media hora”, dijo Hu, explicando que tales condiciones son “fácilmente alcanzables” con equipos industriales de recocido ya establecidos, como hornos túnel, “lo que demuestra un fuerte potencial para su escalado”.

El material de perovskita para la celda superior estaba compuesto por yoduro de formamidinio (FAI), bromuro de formamidinio (FABr), bromuro de cesio (CsBr), más aditivos.

Las subceldas SHJ se basaron en obleas de silicio tipo n, totalmente texturizadas, con un grosor de 110 μm. En la cara trasera se depositó un recubrimiento de óxido conductor transparente (TCO), seguido de electrodos de plata (Ag), y en la cara frontal se aplicó una capa de óxido de indio y estaño (ITO).

La pila de la subcelda de perovskita con estructura p-i-n fue la siguiente: capa de transporte de huecos (HTL) de óxido de níquel (NiOx), 2PACz, capa de andamiaje de yoduro de plomo (PbI2), absorbedor de perovskita, pasivación con diioduro de etilendiamonio (EDAI2), capa de transporte de electrones de buckminsterfulereno (C60), capa tampón de SnOx, TCO, contactos de Ag y recubrimiento antirreflectante (ARC) de fluoruro de litio (LiF).

El ancho de banda prohibido de las películas de perovskita es de 1,73 eV, lo que “satisface bien la demanda de gestión lumínica para las obleas comerciales de silicio cristalino de 110 μm utilizadas”, señalaron los investigadores.

Uno de los dispositivos campeones fue certificado con una eficiencia del 31,4%, un voltaje de circuito abierto de 1,905 V, un factor de llenado del 81,20% y una densidad de corriente de cortocircuito de 20,30 mA/cm². Superó al dispositivo de control preparado con el procedimiento convencional de recocido, que mostró una eficiencia del 29,43%, un voltaje de circuito abierto de 1,915 V, un factor de llenado del 75,67% y una densidad de corriente de cortocircuito de 20,31 mA/cm².

En la investigación colaboró también un equipo de la Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de China.

El grupo dirige ahora su atención a “la fabricación a gran escala de células solares en tándem de tamaño completo 210, módulos en tándem estándar de la industria y su estabilidad operativa bajo condiciones de trabajo en exteriores”, según Hu.

En un comunicado sobre la investigación, Tongwei afirmó que su laboratorio de investigación en células en tándem perovskita-silicio se estableció en el tercer trimestre de 2022 para industrializar estas tecnologías, siguiendo una hoja de ruta compatible con sus líneas de producción de heterouniones. “El enfoque está en superar cuellos de botella técnicos clave en el diseño de células en tándem, la formación de películas conformales en superficies texturizadas, la pasivación de interfaces, la metalización a baja temperatura y la encapsulación de módulos”, señaló la compañía. También informó que planea construir este año una línea piloto de producción en tándem a escala de megavatios.

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