Investigadores de la Universidad Rey Abdullah de Ciencia y Tecnología (KAUST) de Arabia Saudita han fabricado una célula tándem de perovskita-perovskita-silicio de triple unión con capas de perovskita estabilizadas que ha alcanzado una eficiencia de conversión de energía del 28,7 % en un dispositivo con un área de apertura de 1 cm2. Según el equipo de investigación, se trata de un nuevo récord de eficiencia para este tipo de célula.
El equipo de investigación señaló que aún no se ha alcanzado el alto potencial de eficiencia de estas celdas de triple unión debido a problemas bien documentados con la capa intermedia basada en triyoduro de formamidinio y plomo (FAPbI3) de 1,50 eV y la capa superior rica en bromuro (rica en Br) de 2,0 eV. La primera suele sufrir degradación durante las etapas posteriores de fabricación de las células solares y la segunda sufre segregación de fases inducida por la luz.
«En primer lugar, definimos sistemáticamente los diversos mecanismos de degradación de fases en diferentes composiciones de perovskita como un marco unificado de inestabilidad de fases, impulsado fundamentalmente por transiciones de fase y migración de iones», explicó Stefaan De Wolf, autor correspondiente, a pv magazine.
«Para abordar esto, introdujimos ácido propiónico de amonio 3 (3A⁺) en la red de perovskita, formando múltiples enlaces iónicos e hidrógenos. Esta modificación estructural elevó significativamente las barreras de energía de transición de fase y suprimió la formación de defectos Schottky, que se sabe que facilitan dichas transiciones», afirmó.
El grupo informó de que los efectos de la modificación inhibieron «simultáneamente» tanto la degradación de las perovskitas de 1,5 eV como la segregación de fases inducida por la luz de las perovskitas de 2,0 eV.
«Además, el grupo carboxílico en 3A⁺ interactúa fuertemente con la interfaz enterrada, una monocapa autoensamblada (SAM), lo que mejora el acoplamiento de la nube electrónica y promueve un transporte de carga más eficiente», explicó De Wolf.
En el estudio, los investigadores también probaron la modificación del amonio en celdas de unión de estaño-plomo (Sn-Pb) con un ancho de banda estrecho de alrededor de 1,25 eV.
Tras las pruebas, el equipo observó una reducción de la formación de vacantes en masa y una mejora de la eficiencia de las células solares de perovskita de la muestra, «incluidas las composiciones de banda prohibida estrecha de Sn-Pb, de banda prohibida media basadas en FAPbI3 y de banda prohibida ancha ricas en Br», según De Wolf.
«Al incorporar estas perovskitas estabilizadas en dispositivos de triple unión, logramos una eficiencia del 28,7 % para los tándems de perovskita/perovskita/silicio, lo que representa un nuevo récord de eficiencia en este campo», afirmó De Wolf, añadiendo que tanto la estabilidad como la reproducibilidad de los dispositivos mejoraron notablemente, ya que estos conservaron más del 85 % de la eficiencia inicial después de 1000 horas de iluminación continua.
«Estos resultados no solo amplían los límites de la eficiencia de las células solares de triple unión, sino que también ofrecen una estrategia generalizable para mejorar la estabilidad de fase de los absorbedores de perovskita, un paso esencial para su implementación industrial», afirmó De Wolf.
Los detalles de la investigación se describen en «Stabilized perovskite phases enabling efficient perovskite/perovskite/silicon triple-junction solar cells» (Fases de perovskita estabilizadas que permiten células solares de triple unión de perovskita/perovskita/silicio eficientes), publicado en Nature Materials. En el estudio también participaron investigadores de la Universidad de Mármara en Turquía y de la Universidad Ludwig Maximilians (LMU) en Alemania.
De cara al futuro, el equipo seguirá «impulsando la eficiencia de las células solares de perovskita de triple unión más allá del límite de Shockley-Queisser de una sola unión», mediante innovaciones integrales en materiales y dispositivos, según De Wolf.
El grupo tiene la intención de centrarse especialmente en optimizar la subcélula superior de perovskita, incluyendo nuevas composiciones de banda ancha y diseños interfaciales refinados, para minimizar las pérdidas y mejorar el rendimiento general.
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