Célula solar de perovskita con un 25,3% de eficiencia gracias a un nuevo ligando

Investigadores de la Universidad Normal de Shaanxi (China) han diseñado una novedosa estrategia de control para reducir la formación de defectos de vacancia de aniones en células solares de haluro perovskita y han descubierto que este nuevo enfoque da como resultado una mayor eficiencia y una notable estabilidad.

El nuevo método, que definen como estrategia de dos pájaros con una piedra, utiliza un ligando conocido como 3-amidinopiridina (3AP) para fijar los aniones en el dispositivo. Los aniones pueden controlar la nucleación y el crecimiento de los cristales de perovskita y actuar como agente pasivador para mejorar la cristalinidad, garantizando así una mayor eficiencia.

Los científicos afirman que las moléculas de 3AP depositadas en la capa de perovskita son capaces de formar fuertes enlaces químicos con la capa intermedia de yoduro de plomo (II) (Pb-I) de la célula y, como consecuencia, crear un efecto de fijación sostenible.

“Descubrimos que las moléculas de 3AP se disponían en paralelo y de forma antisimétrica entre las estructuras de Pb-I con una corta distancia entre capas de 3,45 angstrom (Å), que es mucho más corta que la obtenida para ligandos de los que se había informado anteriormente, lo que conduce a una coordinación única dentro de los cristales”, explicaron.

Los investigadores construyeron la célula con un sustrato de óxido de estaño (FTO), una capa de transporte de electrones de óxido de titanio (TiO2), una perovskita de haluro denominada α-formamidinio yoduro de plomo conocida como α-FAPbI3, una capa de transporte de huecos spiro-OMeTAD y un contacto metálico de oro (Au).

Evaluaron el rendimiento del dispositivo mediante cálculos de teoría del funcional de la densidad (DFT) y lo compararon con el de una célula de referencia que utilizaba grandes ligandos orgánicos de uso común, como el 2-fenetilamonio (PEA) y el n-butilamonio (BA).

El grupo descubrió que la célula basada en 3AP alcanzaba una eficiencia máxima de conversión de energía del 25,3%, una tensión de circuito abierto de 1,181 V, una corriente de cortocircuito de 26,04 mA cm-2 y un factor de llenado del 82,21%. La célula de referencia sin moléculas 3AP alcanzó una eficiencia del 22,76%, una tensión de circuito abierto de 1,123 V, una corriente de cortocircuito de 24,94 mA cm-2 y un factor de llenado del 81%.

Mediante mediciones adicionales, los académicos también comprobaron que una célula basada en 3AP sin encapsular era capaz de conservar el 92% de su eficiencia inicial tras 5000 h de exposición en condiciones ambientales. “La ingeniería de los defectos de anión-vacante mediante una fuerte coordinación molécula-perovskita proporciona una solución eficaz y sencilla para aumentar tanto la eficiencia como la estabilidad de las células solares de perovskita”, afirmaron.

Presentaron la nueva estrategia de control de los defectos aniónicos en el estudio “One-stone-for-two-birds strategy to attain beyond 25% perovskite solar cells” (Dos pájaros con una piedra para superar el 25% de células solares de perovskita), publicado en nature communications. “Nuestros hallazgos ofrecen una estrategia química eficaz para la fabricación sencilla de células solares de perovskita estables de alto rendimiento y son potencialmente aplicables a otros dispositivos optoelectrónicos de perovskita”, concluyeron.