Una célula solar en tándem de perovskita-silicio con material fuente C60 sublimado alcanza una eficiencia del 30,9%

Un grupo internacional de investigadores dirigido por la Universidad Rey Abdullah de Ciencia y Tecnología (KAUST) de Arabia Saudí ha fabricado una célula solar en tándem de perovskita-silicio con una célula superior de perovskita invertida que se apoya en una capa de transporte de electrones (ETL) hecha de buckminsterfullereno (C60) evaporado térmicamente.

Las células de perovskita invertida tienen una estructura de dispositivo conocida como “p-i-n”, en la que el contacto selectivo de huecos p está en la parte inferior de la capa intrínseca de perovskita i con la capa de transporte de electrones n en la parte superior. Las células de perovskita de haluro convencionales tienen la misma estructura pero invertida: una disposición “n-i-p”. En la arquitectura n-i-p, la célula solar se ilumina a través del lado de la capa de transporte de electrones (ETL); en la estructura p-i-n, se ilumina a través de la superficie de la capa de transporte de huecos (HTL).

Stefaan De Wolf, autor correspondiente de la investigación, explicó a pv magazine que “la repetibilidad de los procesos es de suma importancia para el escalado”. “Aquí demostramos que para el C60 evaporado, que es el material de contacto selectivo de electrones en todos los tándems de alta eficiencia, dicha repetibilidad puede ser un problema, dependiendo de la calidad del material de origen. El uso de C60 sublimado resuelve este problema”.

En el artículo “Sublimed C60 for efficient and repeatable perovskite-based solar cells” (C60 sublimado para células solares eficientes y repetibles basadas en la perovskita), publicado en nature communications, el equipo de investigación explica que el C60 suele ser el material preferido para los ETL en células solares invertidas, debido a su pequeño desplazamiento de la banda de conducción y su gran desplazamiento de la banda de valencia con respecto al absorbedor de perovskita, lo que a su vez es beneficioso para las propiedades de extracción de electrones y bloqueo de huecos de la célula.

Sin embargo, la escasa solubilidad de este material obliga a utilizar métodos basados en soluciones, como el recubrimiento por centrifugación, pulverización o recubrimiento con láminas, aunque el proceso preferido para garantizar la minimización de la absorción óptica parásita causada por el C60 sería la evaporación térmica.

“Nuestros hallazgos revelan que, como resultado de los ciclos de calentamiento y enfriamiento del material fuente durante múltiples ciclos de evaporación, el C60 experimenta una conversión en estructuras de mayor peso molecular a través de la fusión de moléculas de C60”, explicaron los académicos. “Esta transformación provoca modificaciones en las propiedades electrónicas del fullereno, lo que afecta negativamente al rendimiento del dispositivo. Sin embargo, demostramos que una mayor purificación del C60 tal como se recibe puede ayudar a evitar estos problemas, y el rendimiento del dispositivo no se ve afectado incluso después de repetidos ciclos de deposición”.

Mediante este proceso, el grupo construyó una célula basada en un sustrato de óxido de indio y estaño (ITO), una capa de transporte de huecos (HTL) hecha de óxido de níquel(II) (NiOx) y un ácido fosfónico llamado carbazol metil-sustituido (Me-4PACz), un absorbedor de perovskita, la ETL de C60, una capa tampón de batocuproína (BCP) y un contacto metálico de plata (Ag).

A continuación, esta célula se apiló como dispositivo superior en una célula solar en tándem de perovskita-silicio que incorporaba un recubrimiento antirreflectante a base de fluoruro de magnesio (MgF2). Probado en condiciones de iluminación estándar, este dispositivo en tándem alcanzó una eficiencia de conversión de potencia del 30,90%, resultados confirmados por el laboratorio Fraunhofer ISE CalLab.

Los científicos creen que estos niveles de eficiencia son alentadores y afirmaron que ya se vislumbran módulos fotovoltaicos comerciales con contactos de C60 en la industria. “Además del potencial del uso de C60 sublimado, nuestro trabajo proporciona una valiosa orientación para la preparación de fullerenos más adecuados, sobre todo libres de oxígeno, para el procesamiento comercial de células solares basadas en perovskita con alto rendimiento”.