El desarrollo de perovskitas altamente estables y eficientes basadas en una mezcla rica en bromo y yodo se considera fundamental para la creación de células solares en tándem. Sin embargo, los problemas de separación de los dos elementos en condiciones de funcionamiento de la célula solar, como la luz y el calor, limitan la tensión del dispositivo y su estabilidad operativa. Este problema se ve agravado a menudo por la fácil formación de defectos asociada a la rápida cristalización de la perovskita rica en bromo con procesos antisolventes.
“Este nuevo enfoque de crecimiento puede suprimir significativamente la segregación de fases”, afirma Kai Zhu, científico principal del NREL, investigador principal del proyecto y autor principal del nuevo artículo “Compositional texture engineering for highly stable wide-bandgap perovskite solar cells” (Ingeniería de textura composicional para células solares de perovskita de banda ancha altamente estables). Sus coautores del NREL son Qi Jiang, Jinhui Tong, Rebecca Scheidt, Amy Louks, Robert Tirawat, Axel Palmstrom, Matthew Hautzinger, Steven Harvey, Steve Johnston, Laura Schelhas, Bryon Larson, Emily Warren, Matthew Beard y Joseph Berry. Otros investigadores participantes pertenecen a la Universidad de Toledo.
El nuevo método resolvió el problema de la separación de los dos elementos y produjo una célula solar de banda ancha con una eficiencia superior al 20% y una fotovoltaje de 1,33 voltios. La eficiencia apenas varió durante 1.100 horas de funcionamiento continuo a alta temperatura. Finalmente, los investigadores lograron una célula en tándem totalmente de perovskita que obtuvo una eficiencia del 27,1% con una alta fototensión de 2,2 voltios y una buena estabilidad operativa.
En la célula en tándem, la capa de banda prohibida estrecha se deposita sobre la capa de banda prohibida ancha. La diferencia de bandas permite captar una mayor parte del espectro solar y convertirlo en electricidad.
El nuevo método se basa en el trabajo que Zhu y sus colegas publicaron a principios de este año, que invertía la típica célula de perovskita. El uso de esta estructura arquitectónica invertida permitió a los investigadores aumentar tanto la eficiencia como la estabilidad e integrar fácilmente células solares en tándem. Al final consiguieron una célula solar de perovskita con una eficiencia del 24% que conserva el 87% de la producción después de 100 días.
En el reciente estudio de investigación, el grupo dirigido por el NREL utilizó esa misma arquitectura en el sentido de que emplearon un antisolvente aplicado a los productos químicos cristalizadores para crear una película de perovskita uniforme. Luego dieron un paso más, y el nuevo enfoque se basó en lo que se conoce como temple de gas, en el que se sopló un flujo de nitrógeno sobre los productos químicos. El resultado fue una película de perovskita con mejores propiedades estructurales y optoelectrónicas.
El método antisolvente anterior permitía que los cristales crecieran rápida y uniformemente dentro de la película de perovskita, apiñándose unos a otros y dando lugar a defectos donde se encuentran los límites de los granos. El nuevo proceso de enfriamiento con gas, aplicado a las perovskitas con alto contenido en bromo, obliga a los cristales a crecer juntos, apretados de arriba abajo. Los investigadores descubrieron que así se reducen significativamente los defectos. El método de crecimiento de arriba abajo forma una estructura gradiente, con más bromo cerca de la parte superior y menos en el grueso de la célula. Los investigadores informan de que el método de templado con gas también fue estadísticamente más reproducible que el método antisolvente.
Los investigadores también probaron el argón y el aire como gases de secado con resultados similares, lo que indica que el método de templado con gas es una forma general de mejorar el rendimiento de las células solares de perovskita de banda ancha.
El nuevo método de crecimiento demostró el potencial de los dispositivos tándem totalmente de perovskita de alto rendimiento e impulsó el desarrollo de otras arquitecturas tándem basadas en perovskita, como las que incorporan silicio.
El trabajo se publica en el nuevo número de la revista Science.
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