La colaboración de investigación internacional produce una célula solar en tándem de perovskita con alta eficiencia y voltaje récord

Una colaboración entre la Universidad de Ingeniería de Toronto, la Universidad Northwestern y la Universidad de Toledo ha dado como resultado una célula solar en tándem totalmente de perovskita con una eficiencia extremadamente alta y un voltaje récord.

El dispositivo prototipo demuestra el potencial de esta tecnología fotovoltaica emergente para superar los límites clave asociados con las células solares de silicio tradicionales, al mismo tiempo que ofrece un menor costo de fabricación.

«Más mejoras en la eficiencia de las células solares son cruciales para la descarbonización en curso de nuestra economía», dice el profesor de ingeniería de la Universidad de Toronto, Ted Sargent, quien recientemente se unió al Departamento de Química y al Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad Northwestern.

«Si bien las células solares de silicio han experimentado avances impresionantes en los últimos años, existen limitaciones inherentes a su eficiencia y costo, que surgen de las propiedades del material. La tecnología de perovskita puede superar estas limitaciones, pero hasta ahora, se había desempeñado por debajo de su potencial. Nuestro último estudio identifica una razón clave para esto y señala un camino a seguir».

Las células solares tradicionales están hechas de obleas de silicio de pureza extremadamente alta, cuya producción es energéticamente costosa. Por el contrario, las células solares de perovskita se construyen a partir de cristales de tamaño nanométrico que se pueden dispersar en un líquido y recubrir por rotación sobre una superficie utilizando técnicas bien establecidas y de bajo costo.

Otra ventaja de las perovskitas es que al ajustar el grosor y la composición química de las películas de cristal, los fabricantes pueden ‘sintonizar’ selectivamente las longitudes de onda de la luz que se absorben y se convierten en electricidad, mientras que el silicio siempre absorbe la misma parte del espectro solar.

En un nuevo artículo publicado hoy en Naturalezael equipo internacional de investigadores utilizó dos capas diferentes de perovskita, cada una ajustada a una parte diferente del espectro solar, para producir lo que se conoce como una célula solar en tándem.

«En nuestra celda, la capa superior de perovskita tiene una banda prohibida más amplia, que absorbe bien la parte ultravioleta del espectro, así como algo de luz visible», dice Chongwen Li, investigador postdoctoral en el laboratorio de Sargent y uno de los cinco colaboradores. autores principales del nuevo artículo.

«La capa inferior tiene una brecha de banda estrecha, que se sintoniza más hacia la parte infrarroja del espectro. Entre los dos, cubrimos más espectro de lo que sería posible con silicio».

El diseño en tándem permite que la celda produzca un voltaje de circuito abierto muy alto, lo que a su vez mejora su eficiencia. Pero la innovación clave se produjo cuando el equipo analizó la interfaz entre la capa de perovskita, donde la luz se absorbe y se transforma en electrones excitados, y la capa adyacente, conocida como capa de transporte de electrones.

«Lo que encontramos es que el campo eléctrico a través de la superficie de la capa de perovskita, lo llamamos potencial de superficie, no era uniforme», dice Ph.D. estudiante Aidan Maxwell, otro co-autor principal.

«El efecto de esto fue que, en algunos lugares, los electrones excitados se movían fácilmente hacia la capa de transporte de electrones, pero en otros, simplemente se recombinaban con los huecos que dejaban atrás. Esos electrones se perdían en el circuito».

Para abordar este desafío, el equipo revistió una sustancia conocida como 1,3-propanodiamonio (PDA) sobre la superficie de la capa de perovskita. Aunque el recubrimiento tenía solo unos pocos nanómetros de espesor, marcó una gran diferencia.

«El PDA tiene una carga positiva y es capaz de igualar el potencial de la superficie», dice el becario postdoctoral Hao Chen, otro de los coautores principales.

«Cuando agregamos el recubrimiento, obtuvimos una alineación energética mucho mejor de la capa de perovskita con la capa de transporte de electrones, y eso condujo a una gran mejora en nuestra eficiencia general».

La celda solar prototipo del equipo mide un centímetro cuadrado de área y produce un voltaje de circuito abierto de 2,19 electronvoltios, que es un récord para las celdas solares en tándem de perovskita. Su eficiencia de conversión de energía se midió en 27,4%, que es más alta que el récord actual de las células solares de silicio de unión simple tradicionales. La celda también fue certificada de forma independiente en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable en Colorado, con una eficiencia del 26,3 %.

El equipo utilizó métodos estándar de la industria para medir la estabilidad de la nueva celda y descubrió que mantuvo el 86 % de su eficiencia inicial después de 500 horas de operación continua.

«Continuar avanzando en la eficiencia y la estabilidad de las células solares de próxima generación es una prioridad crucial para descarbonizar el suministro de electricidad», dice el profesor Alberto Salleo, presidente del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Stanford, que no participó en el estudio. .

«El equipo desarrolló una comprensión química profunda de lo que limitaba una interfaz crucial, la unión con la capa de extracción de electrones, en la porción de banda prohibida grande de las células solares de perovskita. Estos conocimientos de la ciencia básica, actuaron con estrategias innovadoras de ingeniería de materiales, continuará impulsando el campo hacia adelante».

Los investigadores ahora se centrarán en mejorar aún más la eficiencia aumentando la corriente que atraviesa la celda, mejorando la estabilidad y ampliando el área de la celda para que pueda escalarse a proporciones comerciales.

La identificación del papel clave que juegan las interfaces entre capas también señala el camino hacia posibles mejoras futuras.

«En este trabajo, nos hemos centrado en la interfaz entre la capa de perovskita y la capa de transporte de electrones, pero hay otra capa importante que extrae los ‘agujeros’ que dejan esos electrones», dice Sargent.

«Una de las cosas intrigantes en mi experiencia con este campo es que aprender a dominar una interfaz no necesariamente te enseña las reglas para dominar las otras interfaces. Creo que hay mucho más por descubrir».

Maxwell dice que la capacidad de la tecnología de perovskita para defenderse del silicio, a pesar de que este último ha tenido una ventaja de varias décadas, es alentadora.

«En los últimos diez años, la tecnología de perovskita ha llegado casi tan lejos como lo ha hecho el silicio en los últimos 40», dice. «Imagínese lo que será capaz de hacer en otros diez años».