Científicos del NREL logran una eficiencia del 25,5% con una celda en tándem de perovskita de estaño y plomo

Los científicos del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) del Departamento de Energía de EE. UU. han demostrado una celda de perovskita de estaño y plomo que supera los problemas de estabilidad y mejora la eficiencia. La nueva celda, un diseño en tándem con dos capas de perovskitas, midió una eficiencia del 25,5%.

Las perovskitas se han convertido en un material altamente eficiente para las células solares, pero la investigación continúa para hacer que la tecnología sea más duradera.

La nueva celda NREL retuvo el 80 % de su eficiencia máxima después de 1.500 horas de operación continua, o más de 62 días.

"Esto representa una prueba de envejecimiento acelerado en el laboratorio", dijo Kai Zhu, científico principal de NREL y coautor de un nuevo artículo que detalla la investigación. “A este nivel de eficiencia en tándem, la mejor estabilidad reportada es normalmente de varios cientos de horas”.

En busca de una mayor eficiencia

Los detalles sobre la nueva celda se detallan en " Control del portador en las perovskitas de banda prohibida estrecha Sn-Pb a través de la ingeniería de cationes 2D para celdas solares en tándem de perovskita con eficiencia y estabilidad mejoradas ", que aparece en la revista Nature Energy.

La perovskita se refiere a una estructura cristalina más que a un elemento específico como el silicio, y las células solares están hechas de una solución química adherida a un sustrato. Los dos autores correspondientes, Kai Zhu y Jinhui Tong, dijeron que una celda de perovskita en tándem, en la que se unen dos capas para capturar segmentos ligeramente diferentes del espectro solar, puede tener una eficiencia superior al 30%.

Los otros coautores de NREL son Qi Jiang (coautor principal), Andrew Ferguson, Axel Palmstrom, Ji Hao, Sean Dunfield, Amy Louks, Steven Harvey, Haipeng Lu, Ryan France, Fei Zhang, Mengjin Yang, John Geisz, Matthew Beard, Darius Kuciauskas y Joseph Berry. Otros colaboradores son de la Universidad de Colorado–Boulder y la Universidad de Toledo.

Mejoras en las propiedades de la celda

Muchos de estos investigadores demostraron en un artículo de 2019 publicado en la revista Science una celda de perovskita en tándem de estaño y plomo con una eficiencia medida en 23.1%. Compensaron cualquier problema causado por el estaño agregando el compuesto químico tiocianato de guanidinio, lo que resultó en mejoras notables en las propiedades estructurales y optoelectrónicas de la celda.

Las células solares generan electricidad cuando la luz del sol activa el movimiento de electrones. Una vida útil más larga del portador asociada con el movimiento mejora la eficiencia de la celda. La adición de tiocianato de guanidinio reforzó la vida útil del portador de menos de 200 nanosegundos (cada nanosegundo es una milmillonésima de segundo) a 1 microsegundo (o una millonésima de segundo).

Mejorando ese experimento anterior, los científicos agregaron yoduro de fenetilamonio junto con tiocianato de guanidinio. La perovskita de estaño-plomo mejorada vio aumentar la vida útil de su portador a aproximadamente 9 microsegundos. Los aditivos combinados también redujeron la densidad de defectos asociada con la oxidación del estaño a un nivel sin precedentes para las perovskitas de estaño y plomo y similar a los valores de las perovskitas solo de plomo.

La nueva celda también demostró una mejora en el voltaje generado, a 2,1142 voltios. En comparación, el mejor dispositivo tándem certificado registró 2.048 voltios.