Un equipo de investigación estadounidense-canadiense ha fabricado una célula solar de perovskita invertida utilizando moléculas de base de Lewis para la pasivación superficial. Las bases de Lewis se utilizan generalmente en la investigación solar de perovskita para pasivar los defectos superficiales de la capa de perovskita. Esto tiene efectos positivos en la alineación de los niveles de energía, la cinética de recombinación interfacial, el comportamiento de histéresis y la estabilidad operativa.
“Se espera que la basicidad de Lewis, que es inversamente proporcional a la electronegatividad, determine la energía de enlace y la estabilización de las interfaces y los límites de grano”, explicaron los científicos, señalando que las moléculas demostraron ser muy eficaces a la hora de crear fuertes enlaces entre las capas celulares a nivel de interfaz. “Una molécula de base de Lewis con dos átomos donadores de electrones puede potencialmente enlazar y crear puentes entre las interfaces y los límites de tierra, lo que ofrece la posibilidad de mejorar la adhesión y reforzar la resistencia mecánica de las células solares de perovskita”.
Los científicos utilizaron una molécula de base de Lewis difosfina conocida como 1,3-bis(difenilfosfino) propano (DPPP) para pasivar una de las perovskitas de haluro más prometedoras -el yoduro de plomo formamidinio conocido como FAPbI3- para utilizarla en la capa absorbente de una célula.
Depositaron la capa de perovskita sobre una capa de transporte de huecos (HTL) dopada con DPPP y hecha de óxido de níquel(II) (NiOx). Observaron que algunas moléculas de DPPP se redisolvían y segregaban tanto en la interfaz perovskita/NiOx como en las regiones superficiales de la perovskita, y que la cristalinidad de la película de perovskita mejoraba. Afirmaron que este paso mejoró la resistencia mecánica de la interfaz perovskita/NiOx.
Los investigadores construyeron la célula con un sustrato de vidrio y óxido de estaño (FTO), la HTL basada en NiOx, una capa de carbazol metil-sustituido (Me-4PACz) como capa de transporte de huecos, la capa de perovskita, una fina capa de yoduro de fenetilamonio (PEAI), una capa de transporte de electrones hecha de buckminsterfullereno (C60), una capa tampón de óxido de estaño(IV) (SnO2) y un contacto metálico de plata (Ag).
El equipo comparó el rendimiento de la célula solar dopada con DPPP con el de un dispositivo de referencia que no se sometió al tratamiento. La célula dopada alcanzó una eficiencia de conversión de potencia del 24,5%, una tensión en circuito abierto de 1,16 V y un factor de llenado del 82%. El dispositivo no dopado alcanzó una eficiencia del 22,6%, una tensión en circuito abierto de 1,11 V y un factor de llenado del 79%.
“La mejora del factor de llenado y del voltaje en circuito abierto confirma la reducción de la densidad de defectos en la interfaz NiOx/perovskita tras el tratamiento con DPPP”, afirman los científicos.
Los investigadores también construyeron una célula dopada con un área activa de 1,05 cm2 que alcanzó una eficiencia de conversión energética de hasta el 23,9% y no mostró degradación tras 1.500 h.
“Con DPPP, en condiciones ambientales -es decir, sin calentamiento adicional- la eficiencia global de conversión de potencia de la célula se mantuvo alta durante aproximadamente 3.500 horas”, afirmó el investigador Chongwen Li. “Las células solares de perovskita que se han publicado anteriormente en la literatura tienden a ver una caída significativa en su eficiencia después de 1.500 a 2.000 horas, por lo que esto es una gran mejora”.
El grupo, que recientemente solicitó una patente para la técnica DPPP, presentó la tecnología de la célula en “Rational design of Lewis base molecules for stable and efficient inverted perovskite solar cells” (Diseño racional de moléculas base de Lewis para células solares de perovskita invertida estables y eficientes), publicado recientemente en Science. En el equipo participan académicos de la Universidad de Toronto (Canadá), así como científicos de la Universidad de Toledo, la Universidad de Washington y la Universidad Northwestern (Estados Unidos).
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