Un grupo de científicos de la Universidad de PennState de Pensilvania (EE.UU.) ha presentado una nueva técnica que podría simplificar el desarrollo de células solares de perovskita eficientes y estables, llamadas así por su estructura cristalina única que destaca en la absorción de la luz visible. El nuevo método tiene la capacidad de crear células solares de perovskita más duraderas, con una eficiencia de conversión del 21,59% de la luz solar en electricidad.
Las perovskitas son una tecnología solar prometedora porque las células se pueden fabricar a temperatura ambiente utilizando menos energía que los materiales de silicio tradicionales, lo que las hace más asequibles y más sostenibles de producir. Pero los principales candidatos utilizados para fabricar estos dispositivos, haluros metálicos híbridos orgánicos-inorgánicos, contienen componentes orgánicos que son susceptibles a la humedad, el oxígeno y el calor, y la exposición a condiciones del mundo real puede conducir a una rápida degradación del rendimiento.
Una solución pasa por recurrir a materiales de perovskita totalmente inorgánicos, como el yoduro de plomo y cesio, que tiene buenas propiedades eléctricas y una tolerancia superior a los factores ambientales. Sin embargo, este material es polimórfico, lo que significa que tiene múltiples fases con diferentes estructuras cristalinas. Dos de las fases fotoactivas son buenas para las células solares, pero pueden convertirse fácilmente en una fase no fotoactiva indeseable a temperatura ambiente, lo que introduce defectos y degrada la eficiencia de la célula solar.
Formación de una heterounión de fase
En base a esto, los científicos combinaron los dos polimorfos fotoactivos del yoduro de plomo y cesio para formar una heterounión de fase, que puede suprimir la transformación a la fase indeseable. Las heterouniones se forman apilando diferentes materiales semiconductores, como capas en una célula solar, con propiedades optoelectrónicas diferentes. Estas uniones en los dispositivos solares se pueden adaptar para ayudar a absorber más energía del sol y convertirla en electricidad de manera más eficiente.
Los investigadores fabricaron un dispositivo que logró una eficiencia de conversión de energía del 21,59%, una de las más altas reportadas para este tipo de enfoque, y una óptima estabilidad. Los dispositivos mantuvieron más del 90% de la eficiencia inicial después de 200 horas de almacenamiento en condiciones ambientales.
Para desarrollar el dispositivo, se modeló la estructura y las propiedades electrónicas de la heterounión a escala atómica y se descubrió que al juntar las dos fases fotoactivas se creaba una estructura de interfaz estable y coherente, que promueve la separación y transferencia de carga eficiente, con propiedades deseables para lograr dispositivos solares de alta eficiencia.
Método de deposición dual
La Universidad de PennState contó con la colaboración de la Universidad de Chonnam en Corea del Sur, que desarrolló un método único de deposición dual para fabricar el dispositivo. Para ello, se depositó una fase con una técnica de aire caliente y la otra con evaporación térmica de triple fuente. En el proceso, se comprobó que agregar pequeñas cantidades de aditivos moleculares y orgánicos durante el proceso de deposición mejoró aún más las propiedades eléctricas, la eficiencia y la estabilidad del dispositivo.
Los investigadores dijeron que la técnica de deposición dual podría allanar el camino para el desarrollo de células solares adicionales basadas exclusivamente en perovskitas inorgánicas u otras composiciones de perovskitas de haluro. Además de ampliar la técnica a diferentes composiciones, el trabajo futuro implicará hacer que las células de heterounión de fase actuales sean más duraderas en condiciones del mundo real y escalarlas al tamaño de los paneles solares tradicionales.