Célula solar de perovskita basada en azul de Prusia alcanza una eficiencia del 26,9 %

El azul de Prusia (PB) es un compuesto a base de hierro conocido por su fuerte absorción de la luz visible y sus propiedades electroquímicas, lo que ha despertado interés en la investigación fotovoltaica. Los investigadores han estudiado anteriormente su uso como fotosensibilizador en celdas solares sensibilizadas por colorante, demostrando su capacidad para absorber la luz solar y generar fotocorriente, aunque con un rendimiento fotovoltaico limitado.

Ahora, un grupo de investigadores de la Academia China de Ciencias (CAS) ha investigado si el PB también podría utilizarse en celdas solares de perovskita para mejorar el rendimiento y la estabilidad de los dispositivos.

Los científicos utilizaron nanopartículas de PB para estabilizar películas de perovskita de yoduro de plomo y formamidinio (FAPbI₃), abordando la inestabilidad estructural, la formación de defectos y la migración de iones, que pueden comprometer el rendimiento y la durabilidad a largo plazo de las células solares.

“El principal avance de nuestro estudio es el uso de un armazón de azul de Prusia estructuralmente compatible que permanece funcional tanto durante la formación de la película como durante el funcionamiento del dispositivo”, explicó el autor correspondiente, Chong Liu, a pv magazine. “Este guía la cristalización de la perovskita, media la conversión de especies anómalas de plomo y yodo, y restringe la redistribución de cationes en el sitio A. En conjunto, estos efectos ayudan a preservar la homogeneidad electrónica bajo polarización y favorecen módulos eficientes, estables y de gran superficie”.

Los investigadores utilizaron nanopartículas de PB como plantillas estructurales para controlar la cristalización del FAPbI₃ y promover un crecimiento cristalino más uniforme. Las nanopartículas también suprimieron fases intermedias no deseadas y favorecieron la formación de la fase α fotoactiva, la estructura cristalina necesaria para una absorción eficiente de la luz y la generación de electricidad. Según los investigadores, este enfoque mejoró la alineación cristalina, redujo la tensión reticular y limitó las pérdidas por recombinación no radiativa.

El equipo también descubrió que las nanopartículas de PB podían reducir la degradación de la perovskita al limitar la formación de defectos y la migración de iones dentro del material. Las nanopartículas ayudaron a convertir los defectos de plomo metálico y yodo neutro de nuevo a sus estados iónicos originales, mientras que su rígida estructura cristalina atrapaba a los iones móviles, particularmente el cesio, restringiendo su movimiento bajo un campo eléctrico. Esto redujo significativamente la densidad de defectos, mejoró el transporte de carga y limitó las pérdidas de energía por recombinación no radiativa.

El GIWAXS in situ revela el papel del azul de Prusia en la regulación de la nucleación de la perovskita y la dinámica de la transformación de fase.
Las nanopartículas también aumentaron la energía de activación para la migración de iones de 0,89 eV a 1,25 eV, lo que dificultó el movimiento de los iones. Según los investigadores, estos efectos ayudaron a proteger las películas de perovskita contra la degradación eléctrica, térmica e inducida por la luz, lo que podría mejorar la estabilidad a largo plazo de las células solares.

El equipo probó las nanopartículas de PB tanto en células solares de perovskita convencionales (n-i-p) como invertidas (p-i-n), registrando mejoras en la eficiencia en ambas arquitecturas. En los dispositivos convencionales, la eficiencia de conversión de energía aumentó del 24,2 % al 26,1 %, mientras que las células invertidas alcanzaron el 26,9 %, frente al 26,0 % de los dispositivos sin tratar. Este último resultado fue certificado de manera independiente en un 26,2 %.

Los investigadores atribuyeron estas mejoras a una separación y extracción de carga más eficientes, a una recombinación no radiativa reducida y a la supresión de la migración de iones. También probaron el enfoque en dispositivos más grandes, con minimódulos convencionales de 6 cm × 6 cm que alcanzaron una eficiencia del 23,4 %, en comparación con el 20,1 % de los dispositivos de referencia. Un submódulo invertido de 30 cm × 30 cm, con un área de apertura de 756 cm², alcanzó una eficiencia certificada de 22,9 % y una eficiencia estabilizada de 22,8 %.

Las pruebas de estabilidad también arrojaron resultados prometedores. Los minimódulos convencionales conservaron más del 90 % de su eficiencia inicial después de 2,500 horas a 85 °C y 85 % de humedad relativa, y más del 80 % después de 2,200 horas de funcionamiento continuo a 65 °C y 50 % de humedad relativa.

Las pruebas de envejecimiento acelerado en submódulos invertidos de mayor tamaño también indicaron una vida útil T80 proyectada de alrededor de siete años a 35 °C bajo iluminación continua. T80 se refiere al tiempo que tarda una celda solar o un módulo en perder el 20 % de su eficiencia inicial en condiciones de operación específicas. Los investigadores señalaron que la vida útil proyectada se extrapoló a partir de pruebas de envejecimiento acelerado, en lugar de demostrarse mediante un funcionamiento real a largo plazo.

Durante una prueba al aire libre de cinco meses en Zhuhai, China, un submódulo tratado con PB no mostró ninguna disminución “apreciable” en su rendimiento en comparación con un dispositivo comercial de silicio de referencia, lo que respalda aún más el potencial del material para mejorar la confiabilidad a largo plazo de los sistemas fotovoltaicos de perovskita.

«Nuestros hallazgos resaltan el potencial de los materiales de estructura abierta para mejorar la eficiencia de las celdas solares, permitir la producción a gran escala y aumentar la confiabilidad a largo plazo de los sistemas fotovoltaicos de perovskita», concluyó Liu.

Este nuevo enfoque para las celdas solares se presentó en el estudio «Prussian blue regulates ion dynamics in perovskite solar cells» (El azul de Prusia regula la dinámica iónica en las celdas solares de perovskita), publicado recientemente en la revista Science.