Científicos desarrollan una célula solar tándem totalmente de perovskita, sin PEDOT:PSS, con una eficiencia del 29,1 %

El PEDOT:PSS es una mezcla de polímeros conductores ampliamente utilizada como capa de transporte de huecos e intermedia de electrodo en células solares. Resulta atractiva porque es altamente transparente, lo que permite que la luz llegue de manera eficiente a la capa activa, y tiene buena conductividad de huecos junto con una función de trabajo adecuada que permite una extracción eficiente de carga en la interfaz del electrodo. Además, puede procesarse en solución para formar películas lisas y uniformes, lo que mejora la calidad y la reproducibilidad de los dispositivos.

Sin embargo, en las células solares tándem puede volverse problemático porque su naturaleza ácida e higroscópica puede degradar capas sensibles como las perovskitas. También puede contribuir a la inestabilidad interfacial y a pérdidas parasitarias, lo que en última instancia reduce la eficiencia a largo plazo y la estabilidad operativa.

Con esto en mente, un grupo de investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (HKUST) diseñó una célula solar tándem totalmente de perovskita, sin PEDOT:PSS, que utiliza una monocapa de ácido fosfónico funcionalizada con fenotiazina como capa de transporte de huecos (HTL).

“Diseñamos células solares tándem monolíticas de dos terminales totalmente de perovskita que apilan dos absorbentes de perovskita con brechas de banda complementarias en una sola estructura, lo que ofrece una vía prometedora para superar los límites de eficiencia de las células solares de unión simple, al tiempo que conserva las ventajas de una fabricación liviana y potencialmente de bajo costo”, dijo a pv magazine Fengzhu Li, autor correspondiente de la investigación. “Un desafío importante se encuentra en la interfaz enterrada de la subcélula de perovskita de estaño-plomo de banda estrecha. Muchos dispositivos de alto rendimiento dependen del PEDOT:PSS como material de transporte de huecos, pero este polímero puede absorber humedad, interactuar de manera desfavorable con los precursores de perovskita y promover la segregación de fases durante la cristalización. Estos problemas pueden afectar tanto el rendimiento como la estabilidad del dispositivo”.

En el estudio “Interface-mediated crystallization enables PEDOT:PSS-free all-perovskite tandems with 29.1% efficiency and enhanced durability”, publicado en Joule, Li y sus colegas explicaron que utilizaron caracterización in situ para revelar cómo el PEDOT:PSS induce una vía de cristalización inestable en películas de perovskita mixta de estaño-plomo. “Luego reemplazamos el PEDOT:PSS por una monocapa autoensamblada funcionalizada con fenotiazina, conocida como 4PAPT, que promueve la transición directa de fase, mejora la orientación cristalina y suprime las pérdidas por recombinación no radiativa”, añadió.

En comparación con el PEDOT:PSS, el 4PAPT permite, según los investigadores, una cristalización de perovskita más rápida y directa, suprime la formación de la fase intermedia yoduro de estaño–dimetilsulfóxido (SnI₂–DMSO), promueve una orientación preferencial y mejora la estabilidad interfacial, lo que da como resultado una menor densidad de defectos y un transporte de portadores mejorado.

Los investigadores también encontraron que el PEDOT:PSS es más susceptible a la degradación inducida por DMSO y a la inestabilidad durante el procesamiento, mientras que el 4PAPT mantiene un comportamiento de humectación estable, preservando la integridad interfacial durante toda la deposición. En conjunto, se observó que el 4PAPT promueve una cristalización más rápida y uniforme y películas de perovskita mixta de estaño-plomo de mayor calidad en comparación con el PEDOT:PSS. La espectroscopía ultravioleta-visible (UV-vis) in situ también mostró una evolución de absorción y una transición de fase más rápidas sobre 4PAPT, mientras que el PEDOT:PSS presentó una cinética más lenta.

El equipo desarrolló la célula solar tándem totalmente de perovskita utilizando una arquitectura de dispositivo apilado sobre electrodos transparentes de óxido de indio y estaño (ITO). La célula inferior consistió en un absorbente de perovskita de banda ancha (WBG), interconectado con un derivado de naftaleno basado en carbazol (CbzNaph) como capa selectiva de huecos, seguido de fullereno (C60) como capa de transporte de electrones y dióxido de estaño depositado por capa atómica (ALD-SnO₂) como capa de recombinación, completada con un electrodo de oro (Au). La célula superior se construyó con la SAM como interfaz de transporte de huecos, combinada con un absorbente de perovskita de banda estrecha (NBG), capa de transporte de electrones de C60, batocuproína (BCP) como capa bloqueadora de excitones y un electrodo posterior de plata (Ag).

“Nuestra estrategia de interfaz molecular permitió una célula de perovskita de unión simple de banda estrecha con una eficiencia del 23,2 %”, explicó además Li. “Luego trasladamos la estrategia a células solares tándem monolíticas totalmente de perovskita mediante el desarrollo de la SAM, combinando grupos de anclaje tiol y ácido fosfónico sobre superficies de SnO₂/Au. La densa capa intermedia molecular resultante mantuvo un transporte de carga eficiente, evitando al mismo tiempo la inestabilidad asociada al PEDOT:PSS”.

“La célula solar tándem totalmente de perovskita sin PEDOT:PSS alcanzó una eficiencia reportada del 29,1 %, la mayor eficiencia reportada hasta la fecha para configuraciones tándem totalmente de perovskita sin PEDOT:PSS”, agregó Li. “Los dispositivos encapsulados conservaron el 90 % de su eficiencia inicial después de más de 800 horas de seguimiento del punto de máxima potencia bajo iluminación simulada de un sol, a alrededor de 40 °C”.

“La inestabilidad del PEDOT:PSS no es solo un problema de materiales; también afecta cómo se forma la película de perovskita en la interfaz enterrada. Al reemplazar este polímero por monocapas autoensambladas diseñadas molecularmente, pudimos controlar la cristalización desde el inicio y trasladar ese beneficio a dispositivos tándem de alta eficiencia”, enfatizó el coautor Yen-Hung Lin. “Las células solares tándem de perovskita han alcanzado una etapa en la que cada interfaz importa. Nuestro estudio muestra un principio crítico: las interfaces moleculares pueden diseñarse como plataformas activas para controlar la cristalización, reducir la pérdida de energía, facilitar el transporte de carga y mejorar la estabilidad a largo plazo en diferentes arquitecturas tándem”.