Las células solares de perovskita invertida sin plomo y sin óxidos conductores transparentes pueden alcanzar un 30% de eficiencia

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Un grupo de investigación de Nigeria ha propuesto construir células solares de perovskita invertida planares de heterounión de tipo n sin utilizar óxidos conductores transparentes (TCO, por sus iniciales en inglés) para los contactos pasivados.

Según los investigadores, con este nuevo diseño se pretende maximizar el rendimiento de la célula al tiempo que se reducen los costes de producción y el impacto ambiental. “La posibilidad de alcanzar una alta eficiencia utilizando la técnica planar invertida sin emplear compuestos de silicio ni materiales orgánicos de transporte de huecos puede suponer una mayor variedad de beneficios en el sector”, añadieron.

Los TCO son materiales que presentan propiedades tanto transparentes como conductoras y se han utilizado durante décadas en ambas caras de las células solares de heterounión (SHJ) de silicio cristalino (c-Si) contactado para proporcionar conducción lateral para la captación de portadores. Los TCO ya se utilizan ampliamente en la industria de las pantallas, las pantallas táctiles y las aplicaciones de realidad artificial y virtual.

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 nigerianos utilizaron el software de capacitancia de células solares SCAPS-1D, desarrollado por la Universidad de Gante, para simular la novedosa configuración de la célula.

Para el absorbedor de la célula, consideraron el uso de un material de perovskita sin plomo conocido como triyoduro de metilamonio y estaño (CH3NH3SnI3), que tiene un bandgap energético de 1,3 eV. También decidieron utilizar óxido de cobre (Cu2O) para el HTL y óxido de zinc (ZnO) para el ETL. El diseño de la célula incluye un sustrato de vidrio y un contacto posterior de aluminio (Al).

“La elección de Cu2O como HTM en este trabajo frente a otros HTM se basa en que es relativamente barato en comparación con los HTM de base orgánica, alto coeficiente de absorción, alta movilidad intrínseca de los agujeros y niveles de energía aceptables que se alinean con la capa absorbente, alta estabilidad fotoquímica y térmica, así como estabilidad a largo plazo en el aire”, explicaron. “El ZnO se utiliza como ETM debido a su alto coeficiente de absorción, mayor movilidad de electrones y bandgap energético alineado con la perovskita elegida en comparación con el SnO2”.

Mediante la simulación, el grupo midió el grosor de las capas HTM y ETM, así como la concentración de dopaje del absorbente. “El grosor del HTM, la capa absorbente y el ETM se optimizaron a 40 nm, 1200 nm y 200 nm, respectivamente”, afirmó.

Simulado en condiciones de iluminación estándar, el dispositivo propuesto alcanzó una eficiencia de conversión de potencia del 30,17%, una tensión de circuito abierto de 1,0867 V, una densidad de corriente de cortocircuito de 33,4942 mA/cm2 y un factor de llenado del 82,88%. “Está muy claro que el rendimiento fotovoltaico del dispositivo propuesto es superior al de otros trabajos relacionados recogidos en la bibliografía”, afirmaron los científicos.

El grupo también afirmó que el diseño propuesto allana el camino para la producción de células solares de perovskita sencillas, ecológicas, baratas y muy eficientes utilizando materiales de transporte totalmente inorgánicos.

El novedoso concepto de célula se presentó en el estudio “Simulation and optimization of 30.17% high performance N-type TCO-free inverted perovskite solar cell using inorganic transport materials” (Simulación y optimización de una célula solar de perovskita invertida sin TCO tipo N de alto rendimiento al 30,17 % utilizando materiales de transporte inorgánicos), publicado en scientific reports. El equipo de investigación estaba formado por académicos de la Universidad de Benín y la Universidad Federal de Ciencias de la Salud de Nigeria.

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