Mejora del rendimiento de las células solares de perovskita con nanopartículas de plata

Un grupo de investigadores dirigido por la Universidad de Sheffield (Reino Unido) ha propuesto mejorar la eficiencia de las células solares de perovskita integrando partículas de plata (Ag) en la capa de transporte de electrones (ETL) de la célula.

En su trabajo consideraron la utilización de una ETL basada en óxido de estaño(IV) (SnO2), que, según afirman, es el material de transporte más eficiente utilizado en los dispositivos fotovoltaicos de perovskita. “Se sintetizan nanopartículas de Ag y se utilizan para formar por primera vez una capa de transporte compuesta de SnO2:nanopartículas de Ag”, añaden, refiriéndose a la novedad de su enfoque. “La Ag es un material muy adecuado para nanopartículas debido a su fácil crecimiento en formas nanoestructuradas, su alta conductividad a temperatura ambiente, su estabilidad y su efecto plasmónico en la región visible del espectro”.

Utilizaron un enfoque que se suele adoptar para el desarrollo de células fotovoltaicas orgánicas y sensibilizadas por colorantes, para las que los científicos crean capas de transporte compuestas con nanopartículas metálicas. En estos dispositivos, las nanopartículas actúan como una especie de antenas que atrapan la luz en su proximidad y contribuyen a excitar los electrones hacia la banda de conducción de forma más eficiente.

Los académicos probaron su método en una célula solar de perovskita construida con un sustrato de óxido de indio y estaño (ITO), una ETL basada en SnO2, un absorbedor de perovskita, una capa de transporte de huecos (HTL) hecha de politriarilamina (PTAA) y un contacto metálico de Ag, con todas las capas de la célula depositadas en un proceso al aire.

El equipo de investigación depositó nanopartículas de Ag con espesores de 110 nm en la ETL mediante síntesis química y explicó que un proceso alternativo podría consistir en depositar nanopartículas de Ag evaporadas térmicamente entre el sustrato ITO y la capa de SnO2. Sin embargo, descubrió que sólo el primer proceso puede aumentar la eficiencia de la célula.

Probada en condiciones de iluminación estándar, la célula construida con partículas de Ag depositadas mediante el proceso de síntesis química alcanzó una eficiencia de conversión de energía del 14,3%. A modo de comparación, una célula de referencia sin nanopartículas de Ag alcanzó una eficiencia del 13,4%. “Estos dispositivos son uno de los primeros ejemplos de células solares de perovskita fabricadas completamente al aire con capas de óxido nanocompuestas, y presentan la mayor eficiencia registrada”, señalan los científicos.

El grupo también descubrió que las nanopartículas mejoraban la transferencia de carga y la extracción desde la capa de perovskita hacia el electrodo, y que este resultado sólo puede conseguirse definiendo una concentración “óptima” de nanopartículas. Advirtieron de que concentraciones demasiado altas de Ag podrían tener un efecto negativo en la tasa de recombinación y la corriente de cortocircuito de la célula.

Los detalles del proceso de fabricación están disponibles en el artículo “Using Ag nanoparticles in the electron transport layer of perovskite solar cells to improve efficiency” (Uso de nanopartículas de Ag en la capa de transporte de electrones de células solares de perovskita para mejorar la eficiencia), publicado en Solar Energy.

“Los protocolos aquí establecidos para la síntesis, comparación e integración de capas de transporte compuestas tienen una validez general, y pueden aplicarse a células solares de perovskita con distintas composiciones, o a otros campos”, afirman los investigadores.