Una célula solar de perovskita invertida basada en una monocapa autoensamblada alcanza una eficiencia del 24,38%

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Un grupo de científicos dirigido por la Universidad Jiaxing de China ha desarrollado una célula solar de perovskita invertida basada en una capa de transporte de huecos (HTL, por sus iniciales en inglés) con una monocapa autoensamblada (SAM).

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 HTL.

“Las HTL preparadas con materiales SAM no sólo presentan una absorción parásita despreciable, un bajo consumo de material y una adhesión estable, sino que también presentan una pasivación inherente de los defectos del fondo de las perovskitas”, explicó el equipo de investigación.

Los investigadores utilizaron dos moléculas conocidas como 2-mercaptoimidazol (2-MeIM) y 2-mercaptobenzimidazol (2-MeBIM) como aditivos para el HTL. Según ellos, estas moléculas interactúan con los grupos fosfonato del llamado MeO-2PACz, también conocido como ácido [2-(3,6-Dimetoxi-9H-carbazol-9-il)etil]fosfónico, inhibiendo la agregación del MeO-2PACz al formar una estructura supramolecular, lo que a su vez da lugar a un HTL más homogéneo.

Los académicos diseñaron la célula con un sustrato de vidrio y óxido de indio y estaño (ITO), una capa de MeO-2PACz, el absorbente de perovskita, un catión de bromuro de feniletilamonio (PEA-Br), una capa de transporte de electrones basada en éster metílico del ácido fenil-C61-butírico (PCBM), una capa amortiguadora de batocuproína (BCP) y un contacto metálico de plata (Ag).

Probaron el rendimiento de la célula en condiciones de iluminación estándar y lo compararon con el de una célula de referencia sin los aditivos. La célula solar campeona tratada con los aditivos alcanzó una eficiencia de conversión de potencia del 24,38%, una tensión de circuito abierto de 1,181 V, una densidad de corriente de cortocircuito de 24,43 mA cm-2 y un factor de llenado del 84,51%. El dispositivo de control alcanzó una eficiencia del 23,12%, una tensión en circuito abierto de 1,166 V, una densidad de corriente en cortocircuito de 24,09 mA cm-2 y un factor de llenado del 82,32%.

“Gracias a la mejor alineación energética de la película objetivo, el HTL con aditivos mostró una mayor capacidad de extracción de portadores de carga”, explicaron los investigadores. “Las propiedades mejoradas de los HTL con aditivos, como una mayor homogeneidad, conductividad y bandas energéticas más alineadas, y la calidad mejorada del fondo de las películas de perovskita, con un mayor tamaño de grano y pocos defectos, favorecen una transferencia de carga más eficaz y la supresión de la pérdida de energía por recombinación no radiativa en la interfaz, lo que se traduce en un mayor rendimiento de las células solares de perovskita”.

Las células tratadas con los aditivos también fueron capaces de conservar más del 89% de su eficiencia inicial después de 450 h, mientras que la célula de referencia alcanzó un valor de sólo el 74%. Esto se debió a la mayor calidad de la película de perovskita en las células tratadas, lo que, según el grupo, minimiza su vulnerabilidad a ataques externos e internos.

El novedoso concepto de célula se presentó en el estudio “Synchronous modulation of hole-selective self-assembled monolayer and buried interface for inverted perovskite solar cells” (Modulación síncrona de monocapa autoensamblada selectiva por orificios e interfaz enterrada para células solares de perovskita invertida), publicado en Cell Reports Physical Science.

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