Científicos chinos construyen una célula solar tándem de perovskita-silicio con una eficiencia del 33,3 % procesada en aire ambiente

Investigadores de la Universidad de Nankín, en China, desarrollaron una célula solar tándem de perovskita-silicio que incorpora una célula superior de perovskita invertida basada en una nueva capa polimérica de transporte de huecos (HTL) que combina una mejor humectabilidad con una elevada uniformidad de película. La combinación tiene como objetivo favorecer una deposición uniforme de la perovskita y crear una interfaz selectiva de huecos homogénea, al tiempo que permite fabricar el dispositivo en condiciones ambientales.

Los científicos señalaron que, aunque las células solares de perovskita invertidas p–i–n ofrecen ventajas como procesamiento a baja temperatura, mayor estabilidad y compatibilidad con células inferiores de silicio en dispositivos tándem, ampliar la tecnología desde pequeñas células fabricadas en una atmósfera inerte hasta dispositivos de gran superficie producidos en condiciones ambientales sigue siendo un desafío.

Uno de los requisitos clave para una producción escalable es una HTL que permita un recubrimiento y una cristalización uniformes del absorbedor de perovskita. Una capa de este tipo requiere buena humectabilidad y uniformidad morfológica, así como un transporte eficiente de huecos y una fuerte adhesión al sustrato de óxido conductor transparente (TCO). La poli(triarilamina) (PTAA) convencional ofrece un buen transporte de carga y uniformidad de película, pero su superficie hidrofóbica dificulta un recubrimiento reproducible de perovskita. Por su parte, las monocapas autoensambladas (SAM) basadas en ácido fosfónico de carbazol (PACz) proporcionan una fuerte unión al sustrato, pero pueden presentar una uniformidad de película deficiente y una estrecha ventana de procesamiento, particularmente sobre sustratos de silicio texturizados.

Para abordar estas limitaciones, el equipo de investigación desarrolló PNCC, un copolímero que combina unidades de triarilamina y PACz. El material está diseñado para combinar las propiedades de transporte de carga de polímeros similares a PTAA con las fuertes características de unión al sustrato de los materiales PACz.

“En nuestro trabajo, presentamos un copolímero de nuevo desarrollo que permite obtener células solares de perovskita de alto rendimiento”, declaró a pv magazine el autor correspondiente Shangshang Chen. “Las células solares de perovskita p–i–n de última generación dependen predominantemente de dos familias de HTM orgánicos: SAM y PTAA. Sin embargo, ambos materiales presentan limitaciones intrínsecas: PTAA muestra una humectabilidad insatisfactoria, mientras que las SAM basadas en PACz carecen de suficiente uniformidad de película. Nuestro copolímero PNCC de nuevo diseño aborda simultáneamente estas desventajas inherentes. Es importante destacar que PNCC es compatible tanto con dispositivos de perovskita de unión simple como con células solares tándem de perovskita-silicio bajo condiciones de procesamiento ambientales”.

Los investigadores sintetizaron PNCC mediante la copolimerización de unidades PACz y triarilamina en una relación molar de 1:3, con las unidades de triarilamina suprimiendo la ciclación del carbazol y mejorando el transporte de carga. Otros análisis mostraron que, en comparación con PTAA y Me-4PACz, PNCC proporcionó una interfaz más uniforme, con menos huecos en la interfaz enterrada PNCC/perovskita. Las mediciones de fotoluminiscencia también indicaron una reducción de la recombinación no radiativa y mayores tiempos de vida de los portadores. Los investigadores atribuyeron estas mejoras a la mayor calidad de la película y a la pasivación de defectos proporcionada por los grupos de ácido fosfónico de PNCC.

A partir de este enfoque, los académicos fabricaron células solares de perovskita p–i–n de unión simple mediante recubrimiento con cuchilla en condiciones ambientales.

Los dispositivos presentaban una arquitectura planar compuesta por un sustrato de vidrio/óxido de indio y estaño (ITO), la HTL de PNCC, un absorbedor de perovskita de aproximadamente 800 nm, una capa de transporte de electrones de buckminsterfullereno (C60), una capa tampón de batocuproína (BCP) y un contacto de cobre (Cu). Tanto las capas de PNCC como las de perovskita se depositaron mediante recubrimiento con cuchilla en condiciones ambientales.

Probado bajo condiciones estándar de iluminación, el dispositivo campeón alcanzó una eficiencia de conversión de potencia del 26,6 %, un voltaje de circuito abierto de 1,21 V, una densidad de corriente de cortocircuito de 26,1 mA/cm² y un factor de llenado del 84,1 %. Un laboratorio externo acreditado no identificado certificó el dispositivo con una eficiencia del 26,5 %. En comparación, las células de referencia basadas en PTAA y Me-4PACz alcanzaron eficiencias del 23,5 % y el 24,1 %, respectivamente.

En las pruebas de estabilidad, la célula basada en PNCC conservó el 99,8 % de su eficiencia inicial después de 1.200 horas de exposición a la luz en aire a alrededor de 40 °C. También mantuvo el 95,1 % de su eficiencia inicial después de 1.400 horas a 65 °C y el 92,8 % después de 1.200 horas a 85 °C.

Posteriormente, los investigadores aplicaron PNCC como HTM independiente en células tándem de perovskita-silicio de dos terminales. El polímero formó recubrimientos conformes sobre silicio texturizado sin los agregados observados con PTAA y Me-4PACz. El dispositivo tándem campeón alcanzó una eficiencia de conversión de potencia del 33,3 %, con una eficiencia certificada de forma independiente del 33,0 %. En 18 dispositivos tándem, los investigadores informaron una eficiencia promedio del 32,0 %.

La célula tándem encapsulada también conservó el 85 % de su eficiencia inicial después de 1.140 horas de iluminación equivalente a un sol a 65 °C en aire.

Los investigadores afirmaron que los resultados demuestran el potencial del procesamiento en condiciones ambientales para producir células solares estables y de alto rendimiento, al tiempo que proporcionan una vía escalable hacia la fabricación fotovoltaica.

El concepto de la célula se presentó en el estudio “Scalable ambient fabrication of single-junction and perovskite–silicon tandem solar cells” (Fabricación escalable en condiciones ambientales de células solares de unión simple y tándem de perovskita-silicio), publicado en Nature Sustainability.