La pérdida de portadores de carga en las células de perovskita es la razón de su alto nivel de eficiencia

Las células solares de perovskita, muy eficientes y relativamente baratas de producir, han sido objeto de repetidas sorpresas en los últimos años. Los científicos del Centro de Investigación Jülich alemán han descubierto ahora otra característica especial de las células utilizando una nueva técnica de medición de la fotoluminiscencia. Han descubierto que la pérdida de portadores de carga en este tipo de células sigue leyes físicas diferentes a las conocidas para la mayoría de los semiconductores. Ésta puede ser una de las principales razones de su alto nivel de eficiencia. Los resultados se presentan en la revista Nature Materials.__

Las células solares de perovskita se consideran muy prometedoras para la energía fotovoltaica, aunque su estabilidad deja mucho que desear. Las células de este tipo son baratas de imprimir y muy eficientes. En la última década, su eficiencia se ha duplicado hasta superar el 25 %, por lo que actualmente están al mismo nivel que las células solares convencionales fabricadas con silicio. Y parece que en el futuro será posible lograr nuevas mejoras.

"Un factor importante aquí es la cuestión de cuánto tiempo permanecen los portadores de carga excitados en el material, es decir, su vida útil", explica Thomas Kirchartz. "Comprender los procesos es crucial para seguir mejorando la eficiencia de las células solares basadas en perovskita". Este ingeniero eléctrico dirige un grupo de trabajo sobre células solares orgánicas e híbridas en el Instituto de Investigación sobre Energía y Clima (IEK-5) del Centro de Investigación Jülich.

Lo que cuenta es la vida útil

En una célula solar, los electrones son desalojados por los fotones y elevados a un nivel de energía superior desde la banda de valencia a la banda de conducción. Sólo entonces pueden moverse más libremente y fluir a través de un circuito externo. Sólo pueden contribuir a la generación de energía eléctrica si su tiempo de vida es lo suficientemente largo como para que atraviesen el material absorbente y lleguen al contacto eléctrico. Un electrón excitado también deja un hueco en la banda de valencia subyacente, una vacante móvil que puede desplazarse por el material como un portador de carga positiva.

Son principalmente los defectos en la red cristalina los que garantizan que los electrones excitados vuelvan a caer rápidamente a niveles de energía más bajos. Los electrones afectados ya no pueden contribuir al flujo de corriente. "Este mecanismo también se conoce como recombinación y es el principal proceso de pérdida de toda célula solar", explica Kirchartz.

Ninguna célula solar es perfecta a nivel atómico; cada una tiene distintos tipos de defectos debidos al proceso de fabricación. Estos defectos o átomos extraños en la estructura reticular son los puntos de reunión donde electrones y huecos tienden a juntarse. Los electrones vuelven a caer en la banda de valencia y pierden todo su valor en términos de generación de electricidad.

La teoría de las células de perovskita

"Anteriormente se había supuesto que la recombinación se desencadena predominantemente por defectos que están situados energéticamente en el medio entre las bandas de valencia y conducción. Esto se debe a que estos defectos profundos son igualmente accesibles a los electrones excitados y a sus homólogos, los huecos", afirma Kirchartz. De hecho, es probable que esto sea cierto para la mayoría de los tipos de células solares".

Sin embargo, Kirchartz y su equipo han refutado ahora esta suposición para las células solares de perovskita y han demostrado que los defectos superficiales son, en última instancia, decisivos en términos de su eficiencia final. A diferencia de los defectos profundos, no están situados en el centro de la banda prohibida, sino muy cerca de la banda de valencia o de conducción.

"La causa de este comportamiento inusual aún no se ha aclarado del todo", añade Kirchartz. "Es razonable suponer que en estos materiales no pueden existir defectos profundos. Esta restricción también puede ser una de las razones de la eficiencia particularmente alta de las células."