Una célula solar en tándem basada en perovskita de estaño-plomo alcanza una eficiencia del 27,8%

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Un grupo de investigadores dirigido por la Universidad de Toledo (Estados Unidos) ha fabricado una célula solar en tándem totalmente de perovskita con una célula superior de banda ancha basada en perovskita de estaño-plomo (Pb-Sn) y una célula inferior de banda baja basada en un sustrato de perovskita convencional.

“El nivel de preparación tecnológica (TRL, por sus siglas en inglés) del dispositivo en tándem investigado en este estudio es aún bajo, de TRL 2-3”, declaró a pv magazine el autor correspondiente de la investigación, Zhaoning Song. “Nuestro trabajo, sin embargo, demuestra la viabilidad de mejorar la estabilidad de las células solares en tándem totalmente de perovskita, pero hay que seguir trabajando para aplicar esta técnica a la producción industrial”.

La característica clave de la célula en tándem es la capa de transporte de huecos (HTL) del dispositivo superior, que se fabricó con un compuesto dopado con Pb conocido como poli[3-(4-carbox-butil)tiofeno-2,5-diil] (P3CT), un material que supuestamente ofrece una estabilidad excelente y una movilidad de huecos relativamente alta.

“Introducimos dopantes de Pb para aumentar su función de trabajo y minimizar el desplazamiento del nivel de energía con la perovskita Sn-Pb”, explicaron los académicos, señalando que el P3CT representa una alternativa válida al PEDOT-PSS de uso común. “Los dopantes de Pb también proporcionan sitios de nucleación para permitir el crecimiento de películas de perovskita Sn-Pb de alta calidad”.

El grupo construyó la célula campeona con un sustrato de óxido de indio y estaño (ITO), la novedosa HTL, el absorbente de perovskita Sn-Pb, una capa de transporte de electrones (ETL) basada en buckminsterfullereno (C60), una capa amortiguadora de batocuproína (BCP) y un contacto metálico de plata (Ag).

La célula campeona construida con esta arquitectura alcanzó una eficiencia de conversión de potencia del 22,7%, una tensión de circuito abierto de 0,884 V, una densidad de corriente de cortocircuito de 32,0 mA cm2 y un factor de llenado del 80,3%. A continuación, se combinó en un dispositivo tándem con una célula inferior del 18,7% de eficiencia basada en un absorbedor de perovskita con un bandgap de 1,7 eV, un HTL hecho de un ácido fosfónico llamado carbazol metil-sustituido (Me-4PACz) y un ETL basado en C60.

El tándem campeón basado en P3CT alcanzó una eficiencia del 27,8, una tensión de circuito abierto de 2,147 (2,146) V, una densidad de corriente de cortocircuito de 15,7 mA/cm2 y un factor de llenado del 82,6%.

“Los tándems basados en P3CT también muestran una eficiencia media superior al 27,0% que los dispositivos basados en PEDOT: PSS, lo que demuestra la excelente reproducibilidad de los tándems de alta eficiencia con el HTL P3CT-Pb”, subrayó el grupo. “El dopaje de P3CT con cationes de Pb redujo el desplazamiento de la banda de valencia con la perovskita Sn-Pb y proporcionó semillas de nucleación para mejorar la cristalización de la perovskita, lo que se tradujo en una mejora de la calidad de la película”.

También se observó que el tándem basado en P3CT conservaba alrededor del 97% de su eficiencia inicial después de 1.000 h.

Según Song, el coste de la técnica de dopaje es casi insignificante, ya que el material de yoduro de plomo utilizado para el dopaje es el mismo material de partida utilizado para producir la capa absorbente de perovskita, y sólo se necesita una cantidad trivial para el dopaje. “Sin embargo, cabe señalar que el material polimérico de transporte de huecos utilizado en este estudio sigue siendo caro debido a la complejidad de su síntesis y a su limitada escala de producción”, explica.

La nueva tecnología de células se presentó en el estudio “Suppressed deprotonation enables a durable buried interface in tin-lead perovskite for all-perovskite tandem solar cells” (La desprotonación suprimida permite una interfaz enterrada duradera en perovskita de estaño y plomo para células solares en tándem totalmente de perovskita), publicado en Joule. “Nuestra estrategia de diseño molecular para estabilizar la interfaz perovskita/HTL abre una vía para conseguir células solares en tándem totalmente perovskitas eficientes y estables”, concluye el equipo.

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