Un nuevo método de fabricación de células solares de perovskita ha resuelto problemas anteriores y ha dado lugar a dispositivos de alta eficiencia y excelente estabilidad, según informan investigadores del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) en el nuevo número de la revista Science.
El desarrollo de perovskitas altamente estables y eficientes basadas en una rica mezcla de bromo y yodo se considera fundamental para la creación de células solares en tándem. Los dos elementos, sin embargo, tienden a separarse cuando se exponen a la luz y al calor, limitando así el voltaje y la estabilidad de una célula solar.
"Este nuevo método de crecimiento puede suprimir significativamente la segregación de fases", afirma Kai Zhu, científico titular del NREL, investigador principal del proyecto y autor principal del nuevo artículo "Compositional texture engineering for highly stable wide-bandgap perovskite solar cells".
El nuevo planteamiento abordó ese problema y produjo una célula solar de banda prohibida ancha con una eficiencia superior al 20% y una fotovoltaje de 1,33 voltios, con escasos cambios en la eficiencia a lo largo de 1.100 horas de funcionamiento continuo a alta temperatura. Con este nuevo enfoque, una célula tándem totalmente de perovskita obtuvo una eficiencia del 27,1% con una alta fototensión de 2,2 voltios y una buena estabilidad operativa.
En tándem
En la célula en tándem, la capa de banda prohibida estrecha se deposita sobre la capa de banda prohibida ancha. La diferencia de bandas permite captar una mayor parte del espectro solar y convertirlo en electricidad.
La perovskita es una estructura cristalina formada por la deposición de sustancias químicas sobre un sustrato. Una alta concentración de bromo provoca una cristalización más rápida de la película de perovskita y a menudo da lugar a defectos que reducen el rendimiento de una célula solar. Se han ensayado varias estrategias para mitigar estos problemas, pero la estabilidad de las células solares de perovskita de banda ancha sigue considerándose inadecuada.
El nuevo método se basa en un trabajo que Zhu y sus colegas publicaron a principios de este año, en el que se invertía la típica célula de perovskita. El uso de esta estructura arquitectónica invertida permitió a los investigadores aumentar tanto la eficiencia como la estabilidad e integrar fácilmente células solares en tándem.
El grupo dirigido por el NREL utilizó esa misma arquitectura y se alejó aún más del método convencional de fabricación de una perovskita. El método tradicional utiliza un antisolvente aplicado a los productos químicos cristalizantes para crear una película uniforme de perovskita. El nuevo método se basa en lo que se conoce como enfriamiento gaseoso, en el que se sopla un flujo de nitrógeno sobre los productos químicos. El resultado fue una película de perovskita con mejores propiedades estructurales y optoelectrónicas.
El enfoque antisolvente permite que los cristales crezcan rápida y uniformemente dentro de la película de perovskita, apiñándose unos a otros y dando lugar a defectos donde se juntan los límites de los granos. El proceso de enfriamiento con gas, cuando se aplica a perovskitas con alto contenido en bromo, obliga a los cristales a crecer juntos, apretados de arriba abajo, de modo que se convierten en un único grano y reduce significativamente el número de defectos.
El método de crecimiento descendente forma una estructura gradiente, con más bromo cerca de la parte superior y menos en el grueso de la célula. El método de enfriamiento por gas también fue estadísticamente más reproducible que el método antisolvente.
Mayor eficiencia
Los investigadores lograron una eficiencia superior al 20% para la capa de banda ancha y una estabilidad operativa con menos del 5% de degradación a lo largo de 1.100 horas. En combinación con la célula inferior, el dispositivo alcanzó una eficiencia del 27,1%.
Los investigadores también probaron el argón y el aire como gases de secado con resultados similares, lo que indica que el método de secado con gas es una forma general de mejorar el rendimiento de las células solares de perovskita de banda ancha.
El nuevo método de crecimiento demostró el potencial de los dispositivos en tándem totalmente de perovskita de alto rendimiento e impulsó el desarrollo de otras arquitecturas en tándem basadas en perovskita, como las que incorporan silicio.
La investigación fue financiada por la Oficina de Tecnologías de Energía Solar del Departamento de Energía de Estados Unidos.
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