Una nueva estrategia molecular mejora la eficiencia de celdas solares perovskitas

Las celdas solares, dispositivos que convierten directamente la radiación solar en electricidad, han ganado popularidad y están contribuyendo a la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero a nivel global. Aunque las celdas solares basadas en silicio han mostrado un buen rendimiento, los ingenieros energéticos han estado buscando diseños alternativos que sean más eficientes y económicos.

Las perovskitas, una clase de materiales con una estructura cristalina característica, han demostrado ser especialmente prometedoras para el desarrollo de soluciones solares de bajo costo y alta eficiencia energética. Estudios recientes han destacado el potencial de las celdas solares perovskitas invertidas, donde las capas de extracción de carga están dispuestas en un orden inverso en comparación con los diseños tradicionales.

Las celdas solares perovskitas invertidas podrían ser más estables y más fáciles de fabricar a gran escala que las celdas convencionales basadas en perovskitas. Sin embargo, la mayoría de las celdas invertidas desarrolladas hasta ahora han mostrado bajas eficiencias energéticas, debido a la formación descontrolada de granos cristalinos que pueden generar defectos y afectar negativamente el transporte de portadores de carga generados por la luz solar.

Investigadores de la Universidad Huazhong de Ciencia y Tecnología idearon recientemente una nueva estrategia de ingeniería molecular para controlar la cristalización de materiales perovskitas en celdas solares invertidas. Este enfoque prometedor, descrito en un artículo publicado en Nature Energy, consiste en mezclar moléculas especiales basadas en naftaleno en las perovskitas, para asegurar que crezcan de manera más uniforme.

"Los perovskitas de haluro metálico de formamidinio y cesio permiten una alta eficiencia en las celdas solares perovskitas invertidas, pero la cristalización descontrolada limita su rendimiento", escribieron Qisen Zhou, Guoyu Huang y sus colegas en su artículo. "Regulamos la nucleación y el crecimiento de la perovskita a través de interacciones aromáticas entre sales de amonio de naftaleno y sulfonatos de naftaleno."

Esencialmente, los investigadores mezclaron moléculas basadas en naftaleno en la solución de perovskita para controlar la formación y el crecimiento de los cristales de perovskita. Descubrieron que las películas de perovskita resultantes eran uniformes y tenían muy pocos defectos, lo que es altamente favorable para el desarrollo de celdas solares invertidas.

"Los grupos de amonio de las sales de amonio de naftaleno ocupan el sitio de formamidinio, mientras que los grupos sulfonato de los sulfonatos de naftaleno se coordinan con los iones de plomo", explicaron los autores. "Sus grupos de naftaleno forman apilamientos aromáticos ajustados adyacentes a los octaedros de [PbI₆]^4-. Estas interacciones promueven una cristalización ordenada fuera del plano a lo largo del plano (100), mejorando la pasivación de defectos y el transporte de portadores."

Zhou, Huang y sus colegas utilizaron las películas de perovskita uniformes que crearon para fabricar celdas solares perovskitas invertidas. Luego probaron el rendimiento, la eficiencia y la estabilidad de estas celdas bajo iluminación continua.

"Logramos una eficiencia de conversión de energía del 27.02% (certificada 26.88%) para las celdas solares invertidas", escribieron los investigadores. "Los dispositivos encapsulados retienen el 98.2% de su eficiencia inicial después de 2,000 horas de seguimiento del punto de máxima potencia bajo iluminación continua en aire ambiente. Además, demostramos una eficiencia de estado estable certificada del 23.18% para mini-módulos invertidos con un área de apertura de 11.09 cm² y una eficiencia certificada del 29.07% para celdas solares en tándem totalmente perovskitas."

Los resultados iniciales recopilados por este equipo de investigación son muy prometedores, destacando la viabilidad de su enfoque de ingeniería molecular para el desarrollo de celdas solares perovskitas invertidas energéticamente eficientes. En el futuro, su estrategia podría ser refinada aún más para lograr ganancias adicionales de eficiencia y utilizarse para realizar películas de perovskita de alta calidad con composiciones variables.