Una célula fotovoltaica en tándem totalmente de perovskita basada en carboranos alcanza una eficiencia del 27,2%

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Un grupo de investigación chino-canadiense ha diseñado una célula solar monolítica en tándem totalmente de perovskita que utiliza un dispositivo fotovoltaico superior de perovskita invertida basado en un absorbedor fabricado con perovskita mixta de estaño-plomo (Sn-Pb) mediante una estrategia de regulación térmica de nuevo desarrollo.

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).

Los científicos explicaron que su método consistía en mejorar la estabilidad térmica y la fácil oxidación del Sn incorporando carboranos al material de perovskita. Estos compuestos, también conocidos como dicarba-closo-dodecaboranos, son agrupaciones electrón-delocalizadas formadas por átomos de boro, carbono e hidrógeno con capacidad de transferencia térmica.

“Los carboranos son moléculas de carbono-boro deslocalizadas electrónicamente con un solapamiento significativo entre los orbitales atómicos de los átomos vecinos, lo que permite que los electrones se muevan libremente y se repartan por una región más amplia dentro de los materiales”, declararon. “La característica de la deslocalización de electrones les permite mejorar la conductividad térmica y el transporte eficiente de portadores”.

El grupo seleccionó un tipo de carborano conocido como ortocarborano (o-CB, C2B10H12) y afirmó que tiene una capacidad de transferencia térmica y una estabilidad química “excepcionales”. Se colocó en la célula para evitar el contacto directo entre la perovskita y la capa de PEDOT: PSS (HTL) para evitar su degradación a altas temperaturas.

La célula solar superior se construyó con un sustrato de óxido de indio y estaño (ITO), una capa de transporte de huecos (HTL) basada en PEDOT:PSS, el absorbedor de perovskita, una capa de transporte de electrones (ETL) basada en buckminsterfullereno (C60), una capa tampón de óxido de estaño (SnO2) y un contacto metálico de plata (Ag).

Mediante cálculos de teoría del funcional de la densidad (DFT), los académicos descubrieron que el ortocarborano y la perovskita podían combinarse de forma estable, y que mediciones posteriores de espectroscopia de fotoelectrones ultravioleta (UPS) confirmaban la mejora del nivel de energía interfacial del absorbedor.

“El máximo de la banda de valencia de una película de perovskita se desplazó de -5,42 a -5,31 eV tras el tratamiento con ortocarborano, haciendo que su desplazamiento de banda con el orbital molecular de mayor ocupación de PEDOT:PSS fuera menor y reduciendo la recombinación interfacial”, explicaron.

Una célula solar campeona construida con esta configuración alcanzó una eficiencia de conversión de potencia del 23,4%, una tensión de circuito abierto de 0,877 V, una densidad de corriente de cortocircuito de 32,19 mA cm2 y un factor de llenado del 82,9%. El dispositivo también conservó el 90% de su eficiencia inicial después de 1.000 h. En comparación, una célula sin el tratamiento con carborano conservó sólo el 62% de su eficiencia original después de 400 h.

A continuación, la célula se integró como dispositivo superior en una célula solar totalmente de perovskita integrada monolíticamente y basada en células inferiores de perovskita Sn-Pb. La célula en tándem alcanzó una eficiencia del 27,2%, una tensión de circuito abierto de 2,16 V, una densidad de corriente de cortocircuito de 15,6 mA/cm2 y un factor de llenado del 81%.

“Probamos además la estabilidad de las células solares en tándem encapsuladas bajo iluminación simulada de un sol en MPP”, dijo el grupo. “El tándem prístino conservó el 87% de su eficiencia inicial tras 704 h de funcionamiento continuo”.

El nuevo concepto de célula solar se presentó en el estudio “Sustainable thermal regulation improves stability and efficiency in all-perovskite tandem solar cells” (La regulación térmica sostenible mejora la estabilidad y la eficiencia en células solares en tándem totalmente de perovskita), publicado recientemente en Scientific Reports. El equipo de investigación estaba formado por académicos de la Universidad de Toronto (Canadá) y la Universidad de Ciencia y Tecnología de Qingdao (China).

Otro grupo de investigación de la Universidad de Toronto acaba de presentar una célula solar de triple unión totalmente de perovskita con una eficiencia del 25,1% que, al parecer, mejora la homogeneización de la película de haluro de perovskita.

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