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(Foco Nanowerk) Los investigadores llevan mucho tiempo intentando maximizar la eficiencia de las células solares de perovskita minimizando al mismo tiempo los costes de producción. Las películas de células solares más delgadas permiten una producción rentable, pero limitan la eficiencia. Las películas más gruesas aumentan la eficiencia pero son propensas a defectos que afectan el rendimiento. Sin embargo, intentos anteriores de producir películas de perovskita a escala micrométrica sufrieron caídas significativas en el factor de llenado y el voltaje. Esto limita su potencial de eficiencia. Encontrar el equilibrio óptimo entre espesor y eficiencia ha demostrado ser un desafío continuo.
Las recientes innovaciones en materiales y fabricación han llevado las células solares de perovskita al umbral de viabilidad comercial. Las eficiencias ahora rivalizan con las de las células de silicio convencionales, mientras que la producción requiere mucha menos energía y costos. Sin embargo, una adopción más amplia depende de mejorar el rendimiento y la estabilidad manteniendo al mismo tiempo técnicas de fabricación económicas.
Nuevo trabajo realizado por un equipo del Centro de Investigación Jülich en Alemania, informado en Materiales energéticos avanzados (“Hole Transporting Bilayers for Efficient Micrometer-Thick Perovskite Solar Cells”) reconoce fundamentalmente el papel fundamental que desempeñan las capas de transporte en la exacerbación de las pérdidas dependientes del espesor. Incluso con perfecta movilidad/vida útil del absorbente. Al optimizar una arquitectura de transporte de orificios de dos capas para reducir las pérdidas resistivas y la recombinación, los autores logran una notable retención de la eficiencia en espesores superiores a 1 micrómetro.
Esta investigación se centra en una arquitectura sofisticada de células solares que desacopla el espesor de las limitaciones de eficiencia. Al intercalar películas orgánicas especiales alrededor de la capa de perovskita, los autores permiten espesores en el rango micrométrico sin perder el máximo rendimiento. En particular, su diseño logra una notable eficiencia del 20,2% con un espesor superior a 1 micra con pérdidas mínimas en comparación con versiones más delgadas.
El autor principal, Thomas Kirchartz, explica: «La realización de películas de células solares más gruesas y altamente eficientes permite cubrir las pequeñas pirámides de obleas de silicio estructuradas necesarias para las células en tándem de alto rendimiento». Los intentos anteriores con películas de perovskita más gruesas tendían a sufrir factores de llenado más pobres y voltajes en el rango micrométrico. Pero las capas dobles de transporte de carga únicas de los investigadores están frenando este declive. Esto muestra una manera de integrar perovskitas en tándems basados en silicio altamente eficientes.
¿Por qué el espesor afectó la eficiencia? En resumen, las películas más gruesas exacerban pequeños defectos de fabricación que afectan el rendimiento general. La densidad de defectos aumenta, las interfaces se vuelven más rugosas y las tensiones disminuyen. Desenredar estos mecanismos entrelazados ha resultado enormemente difícil.
El hallazgo más importante del equipo de Kirchartz fue la constatación de que las propias capas de transporte imponían límites intrínsecos. En la lógica tradicional, la recolección de carga dependía principalmente de las propiedades del absorbente. Sin embargo, al equipar las capas de transporte con suficiente conductividad y una alineación óptima de las bandas, las restricciones de espesor se relajan en general. Esto significa que se superan de un solo golpe numerosos caminos de pérdidas.
Este descubrimiento llevó a los investigadores a colocar dos películas orgánicas especiales con ventajas complementarias alrededor del núcleo de perovskita. La película monocapa autoensamblada (SAM) inferior tiene una excelente conductividad y capacidades de transporte de orificios. Ahora el poli superior[bis(4-phenyl)]La película de amina (PTAA) proporciona una estrecha combinación de red y alineación de bandas con la perovskita. Al mezclar variantes de SAM compatibles, las propiedades de la interfaz se refinaron aún más.
Caracterizaciones cuidadosas revelaron que las bicapas de transporte reducen las pérdidas resistivas, facilitan la extracción de carga y dificultan la recombinación en comparación con las películas SAM o PTAA individuales. Esto permite factores de llenado excepcionales y voltajes de casi el 80 % o 1,2 V con un espesor de más de 1 micrón. Una retención tan notable de la máxima eficiencia podría ayudar a las perovskitas a alcanzar su máximo potencial comercial.
Las implicaciones más amplias de las células solares de perovskita de película gruesa de alto rendimiento merecen especial atención. Las escalas micrométricas encajan bien con las herramientas de fabricación existentes optimizadas para silicio. Esto facilita la integración en las infraestructuras existentes. Mejorar la compatibilidad entre las perovskitas de vanguardia y las tecnologías establecidas podría impulsar su adopción generalizada.
Además, las películas gruesas de perovskita se adaptan mejor a las texturas de las pirámides de células de silicio. Esto mejora las geometrías de las celdas en tándem y apunta a una eficiencia general del 45%. Por lo tanto, Kirchartz está convencido de que “un paso intermedio para permitir celdas superiores de perovskita procesadas en solución eficientes en subceldas de Si texturizadas para aplicaciones en tándem es la capacidad de diseñar estructuras de celdas con bandas prohibidas adecuadamente grandes combinadas con altas eficiencias en espesores superiores a 1 µm. »
Sin embargo, aún queda trabajo por hacer antes de que las perovskitas de película gruesa estén disponibles comercialmente. Todavía falta estabilidad a largo plazo, mientras que es necesario mejorar la eficiencia y la coherencia del rendimiento. Sin embargo, el extraordinario hito del 20% de eficiencia en el rango de las micras supone un punto de inflexión: prueba de la viabilidad comercial de esta tecnología fotovoltaica emergente.
Este avance crea de manera eficiente las gruesas películas de perovskita necesarias para cubrir las pirámides de silicio para celdas en tándem de alta eficiencia. Esto ayuda a cumplir la promesa de larga data de arquitecturas tándem híbridas escalables y económicas. Además, lograr de manera confiable una eficiencia superior al 20 % en el rango de micras elimina en gran medida las preocupaciones sobre voltajes inferiores y factores de llenado a medida que aumenta el espesor de la película. Esto supera una de las compensaciones más persistentes entre eficiencia y rendimiento que obstaculiza los esfuerzos de comercialización.
Aprovechando estos avances, una mayor optimización ofrece el potencial de aumentar los límites de eficiencia incluso más allá de las expectativas originales. La viabilidad de células solares de perovskita, rentables y fáciles de fabricar, parece ahora cada vez más alcanzable. A la espera de una expansión gradual y mejoras de estabilidad, la adopción generalizada está a la vuelta de la esquina. Aunque todavía queda mucho trabajo por hacer, la demostración de una excepcional retención de la eficiencia de más del 20 % para las perovskitas de espesor micrométrico representa un punto de inflexión histórico, un presagio y una aceleración de la próxima era en la que los haluros fotovoltaicos de plomo sustituirán al silicio. superará a su predecesor.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
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