Las células solares de perovskita (PSC) son prometedoras células solares fotovoltaicas (FV) de próxima generación con un alto rendimiento y bajos costes de producción en comparación con el silicio. Sin embargo, uno de los principales retos para la adopción generalizada de las PSC es su estabilidad y durabilidad.
La investigación sobre la degradación causada por los rayos ultravioleta recibe pruebas independientes del Centro PACT (Acelerador fotovoltaico de la perovskita para la comercialización de tecnologías)
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Una nueva investigación financiada por el Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) examina los mecanismos de degradación de las PSC bajo la luz solar no filtrada del exterior en comparación con los diodos emisores de luz de uso generalizado.
La investigación, titulada "Strong-Bonding Hole-Transport Layers Reduce Ultraviolet Degradation of Perovskite Solar Cells" (Capas de transporte de agujeros fuertemente unidas reducen la degradación ultravioleta de las células solares de perovskita), se publicó recientemente en Science y descubrió que un material polimérico híbrido especial sintetizado como parte de este trabajo y colocado dentro de la célula de perovskita ayudaba a conservar una alta eficiencia y mejoraba la estabilidad ultravioleta (UV) en pruebas al aire libre.
El equipo internacional de investigadores de este estudio estuvo dirigido por la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill, con el apoyo de la Escuela de Minas de Colorado, el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL), la Universidad de California en San Diego y la Universidad de Toledo.
Un componente clave de esta investigación fue la verificación independiente de los resultados por parte del centro PACT (Perovskite PV Accelerator for Commercializing Technologies) del DOE.
Identificación de las razones de la durabilidad de la perovskita entre el laboratorio y el exterior
La mayoría de las pruebas de PSC se realizan en el entorno controlado del laboratorio, utilizando diodos emisores de luz como fuentes de luz. Para acelerar la comercialización de las PSC, es necesario realizar pruebas de rendimiento en el mundo real para comprender los mecanismos subyacentes de la degradación por la luz solar y la temperatura.
Las condiciones al aire libre difieren de las de interior en varios aspectos. La temperatura, la irradiancia y la intensidad de la luz ultravioleta cambian constantemente en el exterior. Las láminas delgadas de perovskita pueden descomponerse cuando reaccionan con la humedad y el oxígeno o cuando pasan mucho tiempo expuestas a la luz, el calor o la tensión aplicada.
El equipo investigó el mecanismo de degradación inducida por la luz UV en PSC estructuradas p-i-n con materiales híbridos orgánicos de transporte de huecos (HTM) y desarrolló un método para reducir la diferencia entre la durabilidad en interiores y exteriores.
En las células solares de perovskita, un campo eléctrico separa e impulsa los pares electrón-hueco generados por la luz solar que incide sobre el dispositivo fuera del material semiconductor absorbente para generar electricidad. La capa de transporte recoge y desplaza electrones o huecos de la capa de perovskita a los electrodos, permitiendo el flujo de electricidad.
Los investigadores determinaron que la débil unión química entre la capa de perovskita, la capa HTM de polímero y la capa de óxido conductor transparente (TCO) dominaba la degradación. Esto provoca la degradación del PSC bajo la luz solar con fuertes componentes UV.
Centrándose en la debilidad del enlace químico, los investigadores demostraron que un polímero sintetizado reforzaba el enlace químico en la región perovskita/HTM/TCO.
Esta capa híbrida HTM se verificó de forma independiente en el centro PACT, y el módulo campeón demostró un periodo inicial en el que la eficiencia operativa aumentó unos pocos puntos porcentuales hasta aproximadamente el 16%. Tras 29 semanas de pruebas en exteriores, la eficiencia operativa se mantuvo por encima del 16%.
Aceleración de nuevos materiales de perovskita
En 2021, la Oficina de Tecnologías de Energía Solar (SETO) del DOE estableció el centro PACT para iniciar las normas de ensayo y evaluación con el fin de valorar y validar las afirmaciones sobre rendimiento y fiabilidad de la tecnología fotovoltaica de perovskita en rápida evolución.
"Creemos que se trata de la primera demostración publicada de rendimiento en exteriores de minimódulos de perovskita con una superficie superior a 15 cm2 que presentan una eficiencia de apertura medida superior al 16% tras 29 semanas de pruebas en exteriores", afirma Laura Schelhas, investigadora química del NREL, subdirectora del PACT y jefa del equipo de fiabilidad del PACT. "La demostración en el mundo real es un paso fundamental hacia la comercialización, y esperamos que al ofrecer PACT estas capacidades los investigadores y las empresas puedan aprovechar estos datos para mejorar la fiabilidad."
Proporcionar protocolos de ensayo como los desarrollados por el centro PACT ayudará a desarrollar un terreno de juego justo y equitativo para la emergente industria fotovoltaica de la perovskita.
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