En los últimos años, los investigadores han estado experimentando con una amplia gama de diseños de células solares con la esperanza de facilitar su despliegue generalizado. Se ha descubierto que las células solares orgánicas basadas en materiales de perovskita presentan varias ventajas sobre los diseños de células solares convencionales basadas en silicio convencional, incluidos menores costes de fabricación, mayor flexibilidad y sintonizabilidad.
Estructura del dispositivo e imagen de microscopía electrónica de barrido transversal de las TSC orgánicas/perovskita. Crédito: Zhang et al.
Hasta ahora, las células solares orgánicas han alcanzado una eficiencia de conversión de energía (PCE) máxima certificada del 19,4%, que es inferior a la exhibida por las células solares de silicio. Una estrategia propuesta para aumentar su eficiencia y estabilidad implica combinar estas células con células basadas en perovskitas de banda ancha de haluros mixtos, creando células solares en tándem de perovskita/orgánicas.
Si bien las células solares en tándem de perovskita/orgánicas podrían, en teoría, alcanzar altos PCE y estabilidades, su rendimiento se ve obstaculizado por un proceso conocido como segregación de fases. Este proceso degrada el rendimiento de las células de perovskita de banda ancha y, a su vez, afecta negativamente a los procesos de recombinación en la capa de interconexión de las células solares en tándem.
Investigadores del Laboratorio Clave de Suzhou de Nuevos Materiales y Dispositivos Semiconductores optoelectrónicos de la Universidad de Soochow idearon recientemente una estrategia para suprimir la segregación de fases en perovskitas de banda ancha, aumentando así el rendimiento y la estabilidad de las células en tándem de perovskita/orgánicas. Esta estrategia, introducida en Nature Energy, implica el uso de una aleación de pseudo-triple haluro incorporada en perovskitas de haluros mixtos a base de yodo y bromo.
«Las perovskitas de banda ancha de haluros mixtos son adecuadas para la integración en energía fotovoltaica en tándem, como las células solares en tándem de perovskita/orgánicas», escribieron en su artículo Zhichao Zhang, Weijie Chen y sus colaboradores.
«Sin embargo, la segregación de la fase de haluro que se origina a partir de la migración de iones asistida por vacantes de halógeno en perovskitas de banda prohibida ancha limita la eficiencia y la vida útil del dispositivo. Incorporamos iones de tiocianato pseudohalógeno (SCN) en perovskitas de haluro mixto de yoduro/bromuro y demostramos que mejoran la cristalización y reducir los límites de los granos.»
Los investigadores descubrieron que la introducción de sus iones de tiocianato pseudohalógenos en perovskitas de haluro mixto de yodo y bromuro impedía que los elementos de haluro se separaran dentro de las células solares. En última instancia, el tiocianato ralentizó la cristalización, impidiendo la migración de los iones y facilitando así el movimiento de la carga eléctrica en la célula solar.
«Una pequeña cantidad de iones SCN en masa ingresa a la red de perovskita, formando una aleación I/Br/SCN, y ocupa las vacantes de yodo, bloqueando la migración de iones haluro a través del impedimento estérico», escribieron Zhang, Chen y sus colegas. «En conjunto, estos efectos retardan la segregación de la fase de haluro en funcionamiento y reducen la pérdida de energía en las células de perovskita de banda ancha».
Para probar la capacidad de su estrategia propuesta para suprimir la segregación de fases en perovskitas de banda ancha, los investigadores la aplicaron al desarrollo de células solares en tándem de perovskita/orgánicas. En estas pruebas iniciales, descubrieron que las células solares en tándem resultantes alcanzaron un PCE del 25,82 %, un PCE certificado del 25,06 % y una estabilidad operativa de 1.000 h.
En el futuro, la metodología introducida por Zhang, Chen y sus colaboradores podría adaptarse y aplicarse a perovskitas de banda prohibida más amplia con diferentes composiciones. En última instancia, esto podría contribuir al desarrollo de nuevas y prometedoras energías fotovoltaicas orgánicas/perovskita que sean estables bajo diferentes intensidades de luz, exhiban PCE altos y puedan funcionar durante períodos de tiempo más largos antes de deteriorarse.
Más información: Zhichao Zhang et al, Suppression of phase segregation in wide-bandgap perovskites with thiocyanate ions for perovskite/organic tandems with 25.06% efficiency, Nature Energy (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01491-0.
