Un enfoque general de las células solares de perovskita de alta eficiencia

30.03.2021 - Alemania

Investigadores del Instituto de Física Aplicada (IAP) y del Centro para el Avance de la Electrónica de Dresde (cfaed) de la Universidad Técnica de Dresde han desarrollado una metodología general para la fabricación reproducible de células solares de perovskita de alta eficiencia.

Las perovskitas, una clase de materiales de la que se informó por primera vez a principios del siglo XIX, fueron "redescubiertas" en 2009 como posibles candidatas para la generación de energía mediante su uso en células solares. Desde entonces, han tomado por asalto a la comunidad de investigación fotovoltaica (FV), alcanzando nuevas eficiencias récord a un ritmo sin precedentes. Esta mejora ha sido tan rápida que en 2021, apenas más de una década de investigación después, ya están alcanzando un rendimiento similar al de los dispositivos de silicio convencionales. Lo que hace que las perovskitas sean especialmente prometedoras es la forma en que pueden crearse. Mientras que los dispositivos basados en el silicio son pesados y requieren altas temperaturas para su fabricación, los de perovskita pueden ser ligeros y formarse con una mínima inversión de energía. Es esta combinación -alto rendimiento y fácil fabricación- la que ha entusiasmado a la comunidad investigadora.

A medida que el rendimiento de la fotovoltaica de perovskita se disparaba, quedaban atrás algunos de los desarrollos de apoyo necesarios para hacer una tecnología comercialmente viable. Uno de los problemas que sigue afectando al desarrollo de la perovskita es la reproducibilidad de los dispositivos. Mientras que algunos dispositivos fotovoltaicos pueden fabricarse con el nivel de rendimiento deseado, otros fabricados exactamente de la misma manera suelen tener eficiencias significativamente menores, lo que desconcierta y frustra a la comunidad investigadora.

Recientemente, los investigadores del Grupo de Tecnologías Electrónicas Emergentes de la profesora Yana Vaynzof han identificado que los procesos fundamentales que ocurren durante la formación de la película de perovskita influyen mucho en la reproducibilidad de los dispositivos fotovoltaicos. Cuando se deposita la capa de perovskita a partir de una solución, se gotea un antisolvente sobre la solución de perovskita para provocar su cristalización. "Descubrimos que la duración de la exposición de la perovskita al antisolvente tenía un impacto dramático en el rendimiento final del dispositivo, una variable que, hasta ahora, había pasado desapercibida en el campo", dice el Dr. Alexander Taylor, investigador postdoctoral asociado en el grupo de Vaynzof y primer autor del estudio. "Esto está relacionado con el hecho de que ciertos antisolventes pueden disolver, al menos en parte, los precursores de la capa de perovskita, alterando así su composición final. Además, la miscibilidad de los antisolventes con los disolventes de la solución de perovskita influye en su eficacia para desencadenar la cristalización".

Estos resultados revelan que, a medida que los investigadores fabrican sus dispositivos fotovoltaicos, las diferencias en este paso del antisolvente podrían causar la irreproducibilidad observada en el rendimiento. Además, los autores probaron una amplia gama de posibles antisolventes y demostraron que, controlando estos fenómenos, podían obtener un rendimiento de vanguardia de casi todos los candidatos probados. "Al identificar las características clave de los antisolventes que influyen en la calidad de las capas activas de la perovskita, también podemos predecir el procesamiento óptimo de los nuevos antisolventes, eliminando así la necesidad de la tediosa optimización por ensayo y error tan habitual en este campo", añade el Dr. Fabian Paulus, líder del Grupo de Transporte en Materiales Híbridos del cfaed y colaborador del estudio.

"Otro aspecto importante de nuestro estudio es el hecho de que demostramos cómo una aplicación óptima de un antisolvente puede ampliar significativamente la ventana de procesabilidad de los dispositivos fotovoltaicos de perovskita", señala el profesor Vaynzof, que dirigió el trabajo. "Nuestros resultados ofrecen a la comunidad investigadora de la perovskita valiosos conocimientos necesarios para el avance de esta prometedora tecnología hacia un producto comercial".

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Publicación original

Alexander D. Taylor, Qing Sun, Katelyn P. Goetz, Qingzhi An, Tim Schramm, Yvonne Hofstetter, Maximillian Litterst, Fabian Paulus & Yana Vaynzof; "A general approach to high-efficiency perovskite solar cells by any antisolvent"; Nature Communications 2021, 12, 1878.

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