Un grupo de investigadores dirigido por la Universidad de Toronto (Canadá) ha fabricado una célula solar en tándem totalmente de perovskita con una célula inferior de brecha de banda ancha basada en perovskita de estaño-plomo (Pb-Sn) con una cantidad limitada de defectos pasivantes y una recombinación de interfaz reducida.
«Nuestro trabajo presenta una estrategia eficaz para mejorar la durabilidad de esta nueva tecnología fotovoltaica, acelerando la aplicación práctica y la comercialización de las células solares de perovskita», declaró a pv magazine el autor correspondiente de la investigación, Chongwen Li.
«Nuestro grupo ha hecho grandes avances para convertir las perovskitas de plomo puro en una fuente de energía verde viable», afirma Ted Sargent, coautor del estudio. «Sin embargo, el método de Li es conceptualmente distinto al de estudios anteriores. En esta investigación se utilizó la química de quelación de diaminas dirigida a la perovskita que contiene estaño, en la que un ion metálico forma un enlace estable con una molécula que tiene dos átomos de nitrógeno que sujetan el metal. El método es nuevo en el campo de las células solares de perovskita».
«Mientras que trabajos anteriores del grupo de Sargent han intentado disminuir los defectos de la superficie de la perovskita, esta vez hemos creado zonas parcialmente no conductoras y no funcionales que protegen la zona de perovskita situada debajo para que no se convierta en defectuosa», añadió Li. «Utilizamos un nuevo método químico para mejorar la superficie de la célula solar de perovskita. Añadiendo diamina a la superficie, eliminamos el estaño sobrante y ajustamos la proporción entre estaño y plomo para que fuera más equilibrada. La diamina también creó una capa de barrera estable que ayuda a proteger la superficie del oxígeno atmosférico y el calor».
El equipo de investigación construyó el dispositivo en tándem con un sustrato de vidrio y óxido de indio y estaño (ITO), una capa de transporte de huecos (HTL, por sus iniciales en inglés) de óxido de níquel(II) (NiOx) y un ácido fosfónico llamado carbazol metil-sustituido (Me-4PACz), un absorbente de perovskita de banda ancha tratado con 1., 2-diaminopropano (DAP), una capa de transporte de electrones (ETL) basada en buckminsterfullereno (C60), un contacto metálico de oro (AU), una capa PEDOT-PSS, un absorbente de perovskita de bajo bandgap, otra ETL hecha de C60, una capa tampón de óxido de estaño (SnO2) y un electrodo metálico.
«La capa de barrera de quelato induce una superficie de la película de perovskita más dopada de tipo n, con la función de trabajo desplazada de unos 4,81 eV a aproximadamente 4,45 eV, lo que esperamos que facilite la extracción de electrones y reduzca la recombinación no radiativa de la interfaz, con la consiguiente mejora del voltaje en circuito abierto», explican los científicos.
El rendimiento de la célula en tándem tratada con DAP se probó en condiciones de iluminación estándar y se comprobó que alcanzaba una eficiencia del 28,83%, una tensión de circuito abierto de 2,19 V, una densidad de corriente de cortocircuito de 15,59 mA/cm2 y un factor de llenado del 83,4%. Además, fue capaz de conservar más del 90% de su eficiencia original tras 1.000 h de funcionamiento al punto de máxima potencia bajo iluminación simulada de un sol en aire sin refrigeración.
«Nuestra estrategia de quelación con diamina suprime eficazmente la oxidación y prolonga la estabilidad operativa. Esto se debe a que la quelación con diamina forma barreras de alta resistividad, similares a la estructura de contacto posterior del emisor pasivado utilizada en las células solares de silicio», concluyó Lei Chen, coautor del trabajo. «Estas barreras de alta resistividad proporcionan un mecanismo de pasivación novedoso y eficaz para estabilizar y perfeccionar las células solares tándem mixtas de estaño-plomo y perovskita, acercando esta tecnología a su comercialización».
El novedoso enfoque se presentó en el artículo «Diamine chelates for increased stability in mixed Sn–Pb and all-perovskite tandem solar cells» (Quelatos de diamina para una mayor estabilidad en células solares en tándem de perovskita y Sn-Pb mixtos), publicado recientemente en nature energy. En el grupo de investigación también participaron académicos de la Universidad de Toledo, la Universidad de Washington, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, el Instituto de Tecnología de Georgia y la Universidad de Massachusetts Amherst en Estados Unidos, así como de la Universidad Rey Abdullah de Ciencia y Tecnología (KAUST) de Arabia Saudí y la Universidad Tohoku de Japón.
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