Un equipo de investigación liderado por investigadores del Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) y la Universidad de Potsdam en Alemania desarrolló un proceso alternativo con dimetilsulfóxido (DMSO) para celdas solares de perovskita basadas en estaño y encontró menor densidad de iones en comparación con dispositivos basados en plomo.
“Nuestro estudio es el primero en comparar rutas de degradación iónica a través de distintos solventes tanto para perovskitas de plomo como de estaño, demostrando la clara ventaja del estaño y del procesado sin DMSO. Como es bien sabido, la migración iónica es el principal obstáculo para celdas solares de perovskita estables y para la plena comercialización de la tecnología”, dijo a pv magazine Artem Musiienko, autor correspondiente de la investigación.
El equipo indicó que la densidad de iones se investigó en cuatro celdas solares, cada una fabricada con composiciones de perovskita ampliamente utilizadas: una era una celda solar de perovskita de triple catión basada en plomo (Pb) con una eficiencia del 21,5%, con una composición Cs0,05(MA0,02FA0,98)0,95Pb(I0,98Br0,02)3, denominada CsMAFAPbI3 en el estudio.
Otra era un dispositivo con una eficiencia del 14,2% que incorporaba estaño (Sn) con una proporción 50:50 de Pb‑Sn como cationes en el sitio B en una composición de perovskita (Cs0,1MA0,3FA0,6)(Pb0,5Sn0,5)I3.
La tercera era una perovskita sin plomo, solo de Sn, FA0,87PEA0,13SnI3, denominada FASnI3. La cuarta también era FASnI3 pero fabricada sin usar el solvente dimetilsulfóxido (DMSO), utilizando en cambio una mezcla de dimetilformamida (DMF) y 1,3-dimetil-2-imidazolidinona (DMI) como alternativa, lo que permitió un dispositivo sin DMSO. Los dispositivos basados en Sn tuvieron eficiencias del 6,8% y el 5,6%, respectivamente.
Musiienko explicó que el solvente DMF‑DMI se estableció en investigaciones anteriores como una ruta de procesado estable para perovskitas de estaño como alternativa al DMSO, que, señaló, puede provocar la oxidación del estaño.
Los científicos midieron cuantitativamente la densidad de iones y la migración de iones en el material. Esto involucró mediciones corriente‑densidad de voltaje (J‑V), histéresis rápida, mediciones de extracción de carga asistida por polarización, mediciones de fotoluminiscencia transitoria dependiente del voltaje e histéresis rápida dependiente de la temperatura, así como varias otras pruebas para corroborar las conclusiones.
Encontraron que la celda solar de perovskita basada en Pb contenía “las densidades de iones más altas, superiores a 10¹⁷ cm⁻³”. La incorporación de Sn en la muestra Pb‑Sn redujo ligeramente la densidad de iones a 9 × 10¹⁶ cm⁻³, mientras que los dispositivos basados en Sn fabricados con el solvente DMSO presentaron una densidad de iones menor, 8,7 × 10¹⁶ cm⁻³.
En cuanto a los dispositivos basados en Sn fabricados con el solvente DMF‑DMI, presentaron “la densidad de iones más baja, de 2,2 × 10¹⁶ cm⁻³”. Los investigadores señalaron que esto era “más de diez veces menor que lo observado en perovskitas basadas en Pb”, y agregaron que las muestras basadas en Sn mostraron “pérdidas iónicas mínimas” y mantuvieron el 80% de la eficiencia inicial de conversión de potencia tras 600 horas de pruebas de envejecimiento.
“El siguiente paso es reducir aún más las pérdidas iónicas y mejorar la estabilidad a largo plazo de las perovskitas basadas en estaño bajo condiciones de operación realistas”, indicó Musiienko, y añadió que se está dedicando un “esfuerzo significativo” a elevar la eficiencia de los dispositivos para acercarse a los niveles del 27% de eficiencia reportados para dispositivos basados en plomo.
El equipo también está buscando interfaces y arquitecturas de dispositivo más adecuadas para dispositivos de perovskita de estaño. “Descubrimos recientemente que los absorbedores de perovskita basados en estaño exhiben posiciones de niveles de energía que difieren de manera fundamental de las de los sistemas basados en plomo”, dijo Musiienko.
Para acelerar el desarrollo de capas de interfaz adecuadas y materiales de contacto selectivo, señaló que se está trabajando en “un laboratorio totalmente automatizado y de alto rendimiento para adaptar, caracterizar y optimizar materiales para celdas solares, asistido por tecnologías de inteligencia artificial como modelos de aprendizaje automático y grandes marcos de modelos fundacionales moleculares para diseño inverso de materiales”.
El proyecto está financiado por el Ministerio Federal Alemán de Investigación, Tecnología y Espacio (BMFTR) a través del programa NanoMatFutur, que apoya a un grupo de jóvenes investigadores recientemente establecido y liderado por Artem Musiienko.
El trabajo de investigación se presenta en “Minimizing Ionic Losses in DMSO-Free Tin-Based Perovskite Solar Cells” (Minimización de pérdidas iónicas en células solares de perovskita basadas en estaño sin DMSO), que se publicó recientemente en ACS Energy Letters. El equipo incluyó investigadores de la Universidad de Hong Kong.
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