Un equipo de investigación de la Universidad Politécnica del Noroeste, en colaboración con la Universidad Xi’an Shiyou y la Universidad Xidian, ha desarrollado una novedosa estrategia de regulación de la cristalización de películas de perovskita para células solares híbridas de haluro de perovskita orgánico-inorgánico en tándem con banda prohibida ancha. Esto ha sido posible gracias al uso de CsPb2Br5 como agente de siembra bidimensional (2D).
«La novedad de nuestra investigación radica en el uso de copos 2D CsPb2Br5 totalmente inorgánicos como agente de heteronucleación para perovskitas de banda ancha de 1,80 eV, lo que resuelve con éxito los problemas críticos de la cristalización incontrolable y la separación de fases», explicó Chenxin Ran, coautor correspondiente de la investigación, a pv magazine.
Los investigadores señalaron que tanto las células tándem de perovskita-silicio como las de perovskita pura requieren una célula superior de perovskita de banda ancha (WBG) de alto rendimiento para igualar a la célula inferior de banda estrecha, normalmente con un rango de banda prohibida de 1,68 eV a 1,80 eV, pero estos absorbedores tienen problemas de cristalización y separación de fases que afectan negativamente al rendimiento.
Para controlar la cristalización y la separación de fases en la película de perovskita WBG fabricada con Cs0,2FA0,8Pb(I0,6Br0,4)3, los investigadores utilizaron CsPb2Br5 2D como agente de siembra. La síntesis del agente de siembra fue sencilla, según el primer autor, Changbo Li, «empleando un método de precipitación por enfriamiento» para las soluciones constituyentes de CsBr y PbBr2.
«Debido a su baja solubilidad, se precipita inmediatamente en la superficie superior al caer el antisolvente para formar semillas sólidas, lo que guía eficazmente el crecimiento de la perovskita hacia abajo y evita la nucleación aleatoria», explicó el coautor correspondiente Weiyin Gao a pv magazine, añadiendo que el agente promueve un crecimiento cristalino vertical de arriba hacia abajo al «reducir la barrera de energía de nucleación y aumentar la energía de formación de defectos». «Esto mejora el transporte de carga y suprime la separación de fases, logrando en última instancia un factor de llenado récord del 85,39 %», afirmó Gao.
Además, según los investigadores, el WBG optimizado de 1,80 eV tuvo una eficiencia de conversión de energía campeona del 20,14 % cuando se utilizó en una célula solar de unión simple invertida.
En una demostración posterior, el grupo fabricó dispositivos tándem de 4 terminales, uno basado en una célula solar de silicio de contacto trasero de heterounión (HBC) como subcelda superior y el otro en una subcelda superior FA0,7MA0,3Pb0,5Sn0,5I3 de banda estrecha. El dispositivo de perovskita-silicio alcanzó una eficiencia del 31,13 %, con una potencia de salida estabilizada del 30,81 %, lo que fue «superior» al dispositivo tándem basado en las celdas solares de perovskita WBG de control, según los investigadores. Además, una celda tándem totalmente de perovskita construida con la celda superior alcanzó una eficiencia estabilizada del 28,01 %.
En cuanto a la estabilidad, los dispositivos sin encapsular en condiciones de exposición a la luz mantuvieron el 80 % del rendimiento inicial, mientras que un dispositivo de control cayó por debajo del 80 % tras solo 300 horas, según el equipo de investigación. Además, las pruebas de estabilidad térmica y estabilidad al aire mejoradas también mostraron un rendimiento superior en comparación con el dispositivo de control.
Las mediciones de los dispositivos de demostración se realizaron en celdas de área pequeña de 0,05 cm2, mientras que la escalabilidad del método se demostró mediante la fabricación de un dispositivo de 1 cm2, según explicó el coautor Weidong Zhu a pv magazine.
Al evaluar los resultados, los investigadores afirmaron que el trabajo demuestra que las estrategias de control de la cristalización «pueden resolver eficazmente los problemas de inestabilidad intrínseca de las perovskitas de banda ancha», con potencial para su uso en futuros dispositivos de gran superficie.
Los detalles del estudio aparecen en «Heterointeraction-Induced Nucleation Promoting Vertical Growth» (Nucleación inducida por heterointeracción que promueve el crecimiento vertical), publicado en Research.
«Hemos construido con éxito dispositivos tándem de perovskita-silicio con una eficiencia superior al 31 %, y actualmente nos dedicamos a optimizar su estabilidad a largo plazo para satisfacer las demandas de aplicaciones futuras», concluyó el coautor Wei Huang.
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