Para superar los problemas de estabilidad operativa de las células de perovskita de haluro metálico de banda ancha, un equipo de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong diseñó una serie de mediadores redox orgánicos «multifuncionales» basados en antraquinona, capaces de «reducir selectivamente el yodo y oxidar el Pb0 metálico, a la vez que pasivaban los defectos mediante una sustitución catiónica a medida».
Según los investigadores, mejoraron tanto la estabilidad como el rendimiento de las células solares de perovskita que utilizaban los mediadores redox orgánicos basados en antraquinona. El trabajo incluyó un análisis estructural y cálculos de teoría del funcional de la densidad sobre «modelos interfaciales mediador redox/perovskita para comprender mejor el papel de los derivados de AQS en la facilitación de la reacción redox global y la pasivación de la perovskita», así como para estimar sus interacciones.
«El resultado se ajustó en gran medida a lo que habíamos previsto tras investigar a fondo el mecanismo subyacente que provoca la segregación de haluros en las células solares basadas en perovskitas de banda ancha en condiciones de funcionamiento», declaró a pv magazine Alex Jen Kwan-yue, autor principal de la investigación. Después de averiguar algunas posibles razones, hemos diseñado mediadores redox adecuados que no sólo pueden estabilizar la segregación de haluros, sino también pasivar los defectos formados durante el procesamiento y el funcionamiento». Estas moléculas de ingeniería molecular demostraron ser muy eficaces para este fin».
Para los dispositivos de células solares de perovskita objetivo, se añadieron derivados de antraquinona mediadores redox al precursor de perovskita, concretamente tres compuestos conocidos como AQSH, AQSN y AQSP. La eficiencia de conversión de potencia resultante fue del 19,58% con una tensión de circuito abierto «alta» de 1,35 V, mientras que el dispositivo de control tenía una eficiencia de conversión de potencia del 18,68%. El rendimiento superior al objetivo se atribuyó principalmente a la tensión de circuito abierto mejorada.
Estos dispositivos conservaron el 95% de su eficiencia inicial tras 500 horas de funcionamiento en el punto de máxima potencia. La densidad de corriente de cortocircuito prevista era de 17,52 mA/cm2, con un factor de llenado del 82,74%.
Posteriormente, el equipo integró la célula solar de perovskita en un dispositivo tándem monolítico orgánico de perovskita de dos terminales. La célula tándem resultante alcanzó una eficiencia certificada del 24,27%, una tensión de circuito abierto de 2,151 V, una densidad de corriente de cortocircuito de 14,36 mA/cm2 y un factor de llenado del 81,65%. Los resultados de estabilidad operativa a largo plazo fueron «impresionantes», señaló el equipo.
La subcélula de perovskita de unión única y banda prohibida ancha se fabricó en sustratos de vidrio prepatinados con vidrio de óxido de indio y estaño con una monocapa autoensamblada (SAM) de tipo p, una película de perovskita y una capa de C60. La composición del precursor de perovskita comprendía principalmente (Cs0,2FA0,8Pb(I0,6Br0,4)3) y MAPbCl3.
La subcélula orgánica utilizada en el tándem tenía una eficiencia del 16,62%, una tensión de circuito abierto de 0,840 V, una densidad de corriente de cortocircuito de 26,58 mA/cm2 y un factor de llenado del 74,43%. Se trataba de una unión simple de óxido de molibdeno sobre óxido de indio y estaño en una configuración de tipo p-i-n sobre vidrio.
«Entre las células solares en tándem, las variantes perovskita-orgánicas destacan por su procesabilidad en disolución, sus propiedades fisicoquímicas altamente sintonizables y la rentabilidad de sus materias primas», explica Jen Kwan-yue la elección de una combinación de células solares perovskita-orgánicas para el dispositivo en tándem, »Además, su flexibilidad y transparencia abren diversas aplicaciones innovadoras, como la electrónica para llevar puesta y la fotovoltaica integrada en edificios o vehículos. Estas atractivas ventajas han impulsado nuestro interés por las células solares orgánicas de perovskita en tándem».
En cuanto a los próximos planes de investigación, Jen Kwan-yue afirmó: «Nuestro grupo de investigación se dedica a desarrollar nuevos mediadores redox con capacidades redox mejoradas, propiedades eléctricas superiores y pasivación eficiente de defectos. Al mismo tiempo, estamos trabajando en la mejora del rendimiento de las células solares tándem perovskita-orgánicas mediante una delicada ingeniería de interfaces y el diseño molecular de aceptores no fullerénicos de bajo bandgap».
Una empresa derivada, HKTech Solar, comercializará la tecnología. Según Jen Kwan-yue, ha conseguido «importantes fondos» de inversores y del gobierno para desarrollar productos fotovoltaicos.
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