Células solares en tándem de perovskita/silicio en el umbral del 30% de eficiencia

Rendimiento constante durante 300 horas

14.12.2020 - Alemania

Un equipo del HZB ha publicado un informe en la revista Science sobre el desarrollo de su actual récord mundial de 29,15% de eficiencia para una célula solar en tándem hecha de perovskita y silicio. La célula tándem proporcionó un rendimiento estable durante 300 horas, incluso sin encapsulación. Para lograrlo, el grupo dirigido por el Prof. Steve Albrecht investigó los procesos físicos en las interfaces para mejorar el transporte de los portadores de carga.

Las células solares que consisten en dos semiconductores con diferentes bandas de separación pueden alcanzar eficiencias considerablemente más altas cuando se usan en tándem en comparación con las células individuales por sí solas. Esto se debe a que las células en tándem utilizan el espectro solar de manera más eficiente. En particular, las células solares de silicio convencionales convierten principalmente los componentes infrarrojos de la luz de manera eficiente en energía eléctrica, mientras que ciertos compuestos de perovskita pueden utilizar de manera efectiva los componentes visibles de la luz solar, lo que hace de esta una combinación poderosa.

Nuevo récord 29,15%

A principios de 2020, un equipo dirigido por el Prof. Steve Albrecht del HZB rompió el anterior récord mundial de células solares en tándem hechas de perovskita y silicio (28,0%, Oxford PV), estableciendo un nuevo récord mundial de 29,15%. Comparado con la eficiencia más alta certificada y publicada científicamente (26,2% en DOI: 10.1126/science.aba3433), esto es un gran paso adelante. El nuevo valor ha sido certificado en el ISE de Fraunhofer y listado en la tabla del NREL. Ahora, los resultados han sido publicados en la revista Science con una explicación detallada del proceso de fabricación y la física subyacente.

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Un rendimiento consistente durante 300 horas

"El 29,15% de eficiencia no sólo es el récord de esta tecnología, sino que se encuentra en la parte superior de toda la categoría de FV emergente en el gráfico del NREL", dice Eike Köhnen, estudiante de doctorado del equipo de Albrecht y primer autor compartido del estudio. Además, la nueva célula tándem de perovskita/silicio se caracteriza por un rendimiento consistente durante más de 300 horas bajo una exposición continua al aire y a la luz solar simulada sin estar protegida por la encapsulación. El equipo utilizó una compleja composición de perovskita con una brecha de banda de 1,68 eV y se centró en la optimización de la interfaz del sustrato.

Útil: Monocapa autoensamblado

Con socios de Lituania (el grupo del Prof. Vytautas Getautis) desarrollaron una capa intermedia de moléculas orgánicas que se organizan autónomamente en una monocapa autoensamblada (SAM). Consistía en una novedosa molécula basada en el carbazol con sustitución del grupo metilo (Me-4PACz). Esta SAM se aplicaba al electrodo y facilitaba el flujo de los portadores de carga eléctrica. "Primero preparamos la cama perfecta, por así decirlo, sobre la que se apoya la perovskita", dice Amran Al-Ashouri, que también es miembro del equipo de Albrecht y comparte el primer autor del estudio.

Factor de llenado optimizado

Los investigadores utilizaron entonces una serie de métodos de investigación complementarios para analizar los diferentes procesos en las interfaces entre la perovskita, el SAM y el electrodo: "En particular, optimizamos lo que se llama el factor de llenado, que está influido por la cantidad de portadores de carga que se pierden al salir de la celda superior de la perovskita", explica Al-Ashouri. Mientras que los electrones fluyen en la dirección de la luz solar a través de la capa C60, los "agujeros" se mueven en la dirección opuesta a través de la capa SAM hacia el electrodo. "Sin embargo, observamos que la extracción de los agujeros es mucho más lenta que la extracción de los electrones, lo que limitó el factor de llenado", dice Al-Ashouri. Sin embargo, la nueva capa SAM aceleró considerablemente el transporte de los agujeros y por lo tanto contribuye simultáneamente a mejorar la estabilidad de la capa de perovskita.

Combinación de métodos

Mediante una combinación de espectroscopia de fotoluminiscencia, modelización, caracterización eléctrica y mediciones de la conductividad de terahercios, fue posible distinguir los diversos procesos en la interfaz del material de la perovskita y determinar el origen de pérdidas importantes.

La cooperación como clave del éxito

Muchos asociados participaron en el proyecto, entre ellos la Universidad Tecnológica de Kaunas (Lituania), la Universidad de Potsdam, la Universidad de Liubliana (Eslovenia), la Universidad de Sheffield (Reino Unido), así como el Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), HTW Berlín y la Universidad Tecnológica de Berlín, en la que Albrecht es profesor adjunto. El trabajo sobre las células individuales de perovskita y silicio se llevó a cabo en los laboratorios de HZB HySPRINT y PVcomB, respectivamente. "Cada socio aportó su propia experiencia especial al proyecto, por lo que fuimos capaces de lograr este avance juntos", dice Albrecht. La máxima eficiencia posible ya está al alcance de la mano: los investigadores analizaron las dos células individualmente y calcularon una eficiencia máxima posible del 32,4% para este diseño. "Ciertamente podemos alcanzar más del 30%", dice Albrecht.

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