Mejora del rendimiento de las células solares de perovskita con cloruro de fenetilamonio

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Un equipo internacional de investigación ha desarrollado un método para fabricar películas delgadas de perovskita utilizando un precursor conocido como cloruro de fenetilamonio (PEACl) en un paso simultáneo de deposición y pasivación.

“Un proceso tan simplificado puede permitir a los investigadores fabricar células con una calidad más uniforme”, declaró a pv magazine Tim Kodalle, el científico que dirige los experimentos realizados en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab). “A más largo plazo, el proceso puede reducir potencialmente los costes y el consumo de energía de la fabricación de células de perovskita”.

Se dice que el método propuesto reduce el número de pasos de síntesis, al tiempo que estabiliza la película de perovskita de haluro durante más de un mes. El equipo afirma haber utilizado un método simplificado, combinando un proceso de fabricación 2D/3D modificado con la incorporación de grandes haluros en las películas de perovskita 2D/3D. La estrategia integrada de deposición y pasivación utilizó PEACl disuelto en alcohol isopropílico (IPA).

La solución PEACl:IPA se depositó como antisolvente (AS) modificado durante el proceso de deposición de la película delgada de perovskita de haluros 3D, integrando la pasivación mediante perovskita 2D en el paso de deposición de las películas de perovskita 3D. El PEACl se añadió al antisolvente en la etapa de recubrimiento por rotación. A continuación, la película mixta 2D/3D se recoció en una placa caliente.

El equipo comparó el rendimiento de la célula solar basada en PEACI:IPA con el de un dispositivo de referencia sin el tratamiento con PEACI.

“Las PEACl-PSC muestran un rendimiento y una reproducibilidad del dispositivo significativamente mejorados en comparación con la célula de control”, afirmó, señalando que el rendimiento de la célula campeona se verificó con una serie de pruebas con resultados que indicaban que tenía una alta eficiencia estabilizada.

Esta célula alcanzó una eficiencia de conversión de potencia del 20,9%, una tensión de circuito abierto de 1,13 V, una densidad de corriente de cortocircuito de 23,0 mA/cm2 y un factor de llenado del 80,0%. La célula de referencia alcanzó una eficiencia del 19,0%, una tensión en circuito abierto de 1,10 V, una densidad de corriente en cortocircuito de 23,2 mA/cm2 y un factor de llenado del 73,2%.


Los investigadores Tim Kodalle (i) y Carolin Sutter-Fella (d) en la Fuente de Luz Avanzada (ALS) del Laboratorio de Berkeley.
Imagen: Thor Swift/Berkeley Lab

El equipo atribuyó la mejora del rendimiento a la reducción de la tasa de recombinación no radiativa y a la mejora de la interfaz de la perovskita y la capa de transporte de huecos.

Para investigar más a fondo cómo influía el enfoque PEACl en el rendimiento, ya que no estaba claro cómo influye la inclusión de las moléculas voluminosas en la película húmeda precurada en la nucleación y posterior cristalización de la película de perovskita, se pidió a un equipo del Laboratorio de Berkeley que realizara una serie de mediciones in situ.

Se utilizaron varias técnicas de medición in situ. En la Fuente de Luz Avanzada se recogieron datos de fotoluminiscencia (PL) y de dispersión de rayos X de ángulo amplio con incidencia rasante (GIWAXS) utilizando una cámara analítica hecha a medida. Además, el equipo utilizó espectroscopia ultravioleta-visible para observar la evolución de la absorbancia de las películas a medida que se formaban y registrar así las diferencias en las propiedades ópticas de las muestras, según Tim Kodalle, el científico que dirigió los experimentos realizados en el Laboratorio de Berkeley.

A continuación, los investigadores correlacionaron los flujos de datos de las tres técnicas para analizar la evolución temporal de la estructura cristalina de las muestras. El equipo descubrió que el PEACl ralentiza el proceso de crecimiento cristalino, lo que da lugar a un tamaño medio de grano mayor y a una distribución de tamaños de grano más estrecha. Esto, a su vez, reduce la recombinación de portadores en los límites de grano y mejora el rendimiento y la estabilidad del dispositivo.

“Los datos sugieren que durante el recocido de la película húmeda, el PEACl se difunde a la superficie de la película, formando estructuras hidrófobas (cuasi)2D que protegen el grueso de la película de perovskita de la degradación inducida por la humedad”, afirman los investigadores, que concluyen que el proceso de PEACl en dos pasos puede insertar una fina barrera protectora que mantiene alejada la humedad.

Los detalles de la investigación aparecen en “An Integrated Deposition and Passivation Strategy for Controlled Crystallization of 2D” (Una estrategia integrada de deposición y pasivación para la cristalización controlada de 2D), publicado por Advanced Materials. Investigadores de la Universidad de Stuttgart, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, el Forschungszentrum Jülich, la Universidad Tecnológica de Brandemburgo, la Universidad McGill y el Zentrum für Sonnenenergie und Was

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