Una célula solar de perovskita de triple unión basada en una bicapa de óxido de grafeno alcanza una eficiencia del 27,3 %

Un equipo internacional de investigación construyó una célula solar de triple unión íntegramente de perovskita que utiliza una estrategia de contacto selectivo de huecos basada en una bicapa de óxido de grafeno y monocapa autoensamblada (SAM) para reducir las pérdidas ópticas, mejorar la estabilidad y aumentar el rendimiento de las subcélulas de perovskita de estaño-plomo.

Las monocapas autoensambladas (SAM) se emplean actualmente como capas de transporte de huecos de última generación en células solares de perovskita, debido a su baja absorción parasitaria, rápida extracción de carga y eficaz pasivación de la interfaz enterrada de la perovskita. Sin embargo, el control preciso de su espesor, densidad de empaquetamiento molecular y orientación sigue constituyendo un desafío importante.

Los científicos explicaron que, aunque las SAM permiten alcanzar un alto voltaje de circuito abierto, también pueden introducir pérdidas significativas en la extracción de carga. Mediante investigaciones sistemáticas de la dinámica de los portadores de carga y de las interfaces enterradas, identificaron que las SAM de carbazol de uso habitual provocan pérdidas iónicas considerables que dificultan una extracción eficiente de la carga. Para abordar estas limitaciones, el equipo exploró estrategias de ingeniería de interfaces basadas en la integración de óxido de grafeno (GO).

En particular, investigaron una SAM conocida como MeO-2PACz, el GO y la combinación GO/MeO-2PACz, y descubrieron que el GO permite una cobertura de MeO-2PACz más uniforme que la SAM independiente sobre sustratos de óxido de indio y estaño (ITO). Además, comprobaron que los grupos funcionales que contienen oxígeno del GO permiten fuertes interacciones con los grupos de anclaje de ácido fosfónico del MeO-2PACz, lo que favorece la formación uniforme de la SAM y una mejor pasivación interfacial.

El equipo de investigación construyó la célula superior de perovskita con un electrodo conductor transparente de óxido de indio y estaño (ITO), una capa de transporte de huecos de óxido de níquel (NiOx)/monocapa autoensamblada (SAM), un absorbente de perovskita de banda prohibida ancha de 2,00 eV, un espaciador basado en éster metílico del ácido fenil-C61-butírico (PCBM), una capa de transporte de electrones (ETL) de óxido de estaño (SnOx) y otra capa de ITO.

La subcélula intermedia incorpora una capa selectiva de huecos basada en una SAM, un absorbente de perovskita de banda prohibida intermedia de 1,55 eV o 1,60 eV y una ETL fabricada con fullereno (C60) y SnOx. La interconexión entre las subcélulas intermedia y superior está formada por una capa de recombinación basada en poli(3,4-etilendioxitiofeno) sulfonato (PEDOT) o por una configuración bicapa que incorpora oro (Au) o ITO.

La subcélula superior emplea un absorbente de perovskita de banda prohibida baja de 1,25 eV, seguido de una bicapa de transporte de electrones C60/SnOx y un electrodo posterior conductor de cobre (Cu). Esta secuencia de capas cuidadosamente diseñada permite una extracción eficiente de la carga y una captación de fotones en un amplio espectro en la célula solar de triple unión íntegramente de perovskita.

El rendimiento fotovoltaico se evaluó mediante mediciones de corriente-voltaje, seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT), eficiencia cuántica externa (EQE) y pruebas de estabilidad operativa bajo luz solar simulada. Para analizar las interfaces, la dinámica de las cargas y la migración iónica se utilizaron técnicas espectroscópicas y eléctricas avanzadas, entre ellas la espectroscopia fotoelectrónica de rayos X (XPS), la espectroscopia fotoelectrónica ultravioleta (UPS), la extracción de carga asistida por polarización (BACE) y mediciones transitorias.

El análisis reveló que la bicapa GO/SAM mejora la morfología de la interfaz enterrada, lo que produce un crecimiento más uniforme de la perovskita, una reducción de los defectos interfaciales y una orientación cristalina favorable. En comparación con los contactos convencionales basados en PEDOT, también se constató que la bicapa reduce la absorción parasitaria y mejora la generación de corriente en los dispositivos multiunión íntegramente de perovskita desarrollados para los experimentos.

Al integrar la unión de recombinación ITO/bicapa en dispositivos de triple unión, la eficiencia de la célula aumentó del 23,6 % al 25,1 %. Una optimización adicional de la banda prohibida de la subcélula intermedia permitió alcanzar una eficiencia máxima del 27,3 %. La arquitectura bicapa también mejoró la estabilidad operativa, ya que el dispositivo conservó el 90 % de su eficiencia inicial de conversión de energía después de 770 horas de iluminación continua y superó el rendimiento de los dispositivos basados en PEDOT.

“En conjunto, nuestros resultados demuestran el enorme potencial de las multiuniones íntegramente de perovskita basadas en SAM y acercan esta prometedora tecnología a niveles más elevados de preparación industrial”, afirmaron los investigadores.

El equipo de investigación explicó que la reducción de la resistencia al transporte de carga y la mejora de la calidad de la perovskita y de la alineación de los niveles energéticos podrían aumentar el factor de llenado y el voltaje de circuito abierto, lo que permitiría alcanzar eficiencias superiores al 30 %.

El novedoso concepto de célula se presentó en el estudio “Triple-junction all-perovskite solar cells with self-assembling hole contacts in all subcells” (Células solares de triple unión íntegramente de perovskita con contactos de huecos autoensamblados en todas las subcélulas), publicado en Joule. El grupo estuvo integrado por académicos de la Universidad de Potsdam, en Alemania, y de los Laboratorios Federales Suizos de Ciencia y Tecnología de Materiales (Empa).