Los materiales solares de próxima generación son más baratos y más sostenibles de producir que las células solares de silicio tradicionales, pero aún quedan obstáculos para hacer que los dispositivos sean lo suficientemente duraderos como para soportar las condiciones del mundo real. Una nueva técnica desarrollada por un equipo de científicos internacionales podría simplificar el desarrollo de células solares de perovskita eficientes y estables, llamadas así por su estructura cristalina única que sobresale en la absorción de la luz visible.

Los científicos, incluido el profesor de Penn State Nelson Dzade, informaron en la revista Nature Energy sobre su nuevo método para crear células solares de perovskita más duraderas que aún logran una alta eficiencia de conversión del 21,59% de la luz solar en electricidad.

Las perovskitas son una tecnología solar prometedora porque las células pueden fabricarse a temperatura ambiente utilizando menos energía que los materiales de silicio tradicionales, lo que las hace más asequibles y más sostenibles de producir, según Dzade, profesor asistente de ingeniería energética y mineral en la Universidad John and Willie Leone. Departamento Familiar de Ingeniería Energética y Mineral y coautor del estudio.

Sin embargo, 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, dijeron los científicos.

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, dijeron los científicos.

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, dijeron los científicos. 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.

«Lo hermoso de este trabajo es que muestra que la fabricación de células solares de heterounión de fase utilizando dos polimorfos del mismo material es el camino a seguir», dijo Dzade. «Mejora la estabilidad del material y evita la interconversión entre las dos fases. La formación de una interfaz coherente entre las dos fases permite que los electrones fluyan fácilmente a través del dispositivo, lo que lleva a una mayor eficiencia de conversión de energía. Eso es lo que demostramos en este trabajo.»

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 excelente estabilidad. Los dispositivos mantuvieron más del 90% de la eficiencia inicial después de 200 horas de almacenamiento en condiciones ambientales, dijo Dzade.

«Cuando se pasó de un laboratorio a un módulo solar del mundo real, nuestro diseño exhibió una eficiencia de conversión de energía del 18,43% para un área de celda solar de más de 7 pulgadas cuadradas (18,08 centímetros cuadrados)», dijo Dzade. «Estos resultados iniciales resaltan el potencial de nuestro enfoque para desarrollar módulos de células solares de perovskita ultragrandes y evaluar de forma fiable su estabilidad».

Dzade modeló la estructura y las propiedades electrónicas de la heterounión a escala atómica y descubrió que al juntar las dos fases fotoactivas se creaba una estructura de interfaz estable y coherente, que promueve la separación y transferencia eficiente de carga, propiedades deseables para lograr dispositivos solares de alta eficiencia.

Los colegas de Dzade en la Universidad de Chonnam en Corea del Sur desarrollaron un método único de deposición dual para fabricar el dispositivo: depositar una fase con una técnica de aire caliente y la otra con evaporación térmica de triple fuente. 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, dijo Sawanta S. Mali, profesora de investigación en la Universidad de Chonnam en Corea del Sur y autor principal del artículo.

«Creemos que la técnica de deposición dual que desarrollamos en este trabajo tendrá implicaciones importantes para la fabricación de células solares de perovskita estables y altamente eficientes en el futuro», dijo Nelson Dzade, profesor asistente de energía e ingeniería mineral en el Departamento de Energía de la Familia John y Willie Leone. e Ingeniería Mineral y coautor del estudio.

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, dijeron los investigadores.

«Con este enfoque, creemos que en un futuro próximo debería ser posible disparar la eficiencia de este material por encima del 25%», afirmó Dzade. «Y una vez que hagamos eso, la comercialización estará muy cerca».

Fuente: phys.org