Los nuevos pasos de procesamiento de materiales mejoran significativamente la estabilidad operativa de las células solares híbridas de perovskita

El silicio ha sido durante mucho tiempo el material convencional de elección para las células solares, que convierten la energía del sol en electricidad. Sin embargo, debido a que la absorción de luz en el silicio es ineficaz, las células solares hechas de silicio son gruesas, pesadas y rígidas. Además, su fabricación es compleja y cara. Para abordar estos problemas, los científicos han estado tratando de encontrar alternativas al silicio.

Hace menos de una década, los científicos comenzaron a buscar materiales híbridos orgánicos-inorgánicos con un tipo particular de estructura cristalina conocida como perovskita. Una de las perovskitas híbridas más estudiadas contiene yodo y plomo como componentes inorgánicos y un compuesto que consta de carbono, hidrógeno y nitrógeno (metilamonio) como componente orgánico. En los últimos años, la eficiencia de estos compuestos híbridos con estructura de perovskita se ha disparado hasta aproximadamente un 25 por ciento, superando la de algunas células solares de silicio. Además de su eficiencia, las células solares híbridas de perovskita son atractivas porque pueden fabricarse mediante técnicas simples y de bajo costo, como el recubrimiento por pulverización. Pero los materiales híbridos de perovskita aún no son reemplazos viables del silicio, en gran parte debido a problemas de estabilidad. Su rendimiento se degrada rápidamente cuando se exponen continuamente a la humedad, la luz y los elementos de calor que experimentaría una célula solar en el entorno natural.

Ahora, un equipo internacional dirigido por los profesores Heejoo Kim y Kwanghee Lee del Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju (GIST) en Corea del Sur ha desarrollado nuevos pasos de procesamiento de materiales que mejoran significativamente la estabilidad operativa de las células solares híbridas de perovskita. Su método de procesamiento se describe en un artículo reciente publicado en línea en Ciencias de la energía y el medio ambiente.

Normalmente, los dispositivos de película fina se fabrican en solución intercalando el material absorbente de luz activo entre los contactos eléctricos (electrodos) de metal superior e inferior y las capas intermedias de semiconductores orgánicos, que mejoran la extracción de corrientes eléctricas a los contactos. En este caso, antes de colocar el electrodo final en la parte superior, los científicos de GIST pusieron el dispositivo al vacío. En experimentos anteriores, el equipo había notado que quitar y luego volver a depositar el electrodo superior y la capa intermedia reducía la pérdida por quemado, una rápida disminución en la eficiencia al comienzo de la iluminación de la luz. Posteriormente confirmaron que el entorno de alto vacío utilizado para depositar el electrodo había contribuido a esta reducción. Durante el curado al vacío, los iones sueltos emergen de la perovskita y se concentran en la capa intermedia superior. En un segundo paso de procesamiento, los científicos utilizaron un disolvente químico para eliminar selectivamente esta capa superior.

“Cuando estas perovskitas híbridas se descomponen, comienzan a filtrar iones de yodo cargados negativamente”, dijo el autor principal Hyungcheol Back, científico investigador de GIST y Hanwha Solutions. “Estos iones pueden moverse y acumularse en la interfaz entre la perovskita absorbente de luz activa y el electrodo metálico para formar una capa aislante, haciendo que el dispositivo sea menos conductor”.

Con el protocolo de procesamiento desarrollado, el dispositivo de un centímetro mantuvo más del 80 por ciento de su eficiencia inicial (18,8 por ciento) en condiciones de prueba operativa estándar de iluminación continua o calor (aplicado por separado) durante 1000 horas. Además, el dispositivo no mostró pérdida por quemado, que es frecuente entre las células solares híbridas de perovskita.

Para comprender la mejora en la estabilidad, los científicos de GIST realizaron estudios de caracterización con dispositivos modificados y no modificados en el proceso en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) y la Fuente de Luz Nacional Sincrotrón II (NSLS-II) en la Oficina del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) of Science User Facilities en el Laboratorio Nacional de Brookhaven.

En la línea de luz de Dispersión de Materiales Complejos (CMS), operada en asociación entre CFN y NSLS-II, llevaron a cabo experimentos de dispersión de rayos X de gran angular de incidencia rasante aprovechando la instalación de sondas de rayos X y UV avanzados de CFN. En esta técnica, el haz de rayos X roza la muestra en ángulos muy poco profundos, que se pueden ajustar para sondear la superficie o la masa de una película delgada a escalas de longitud molecular. De acuerdo con los patrones de dispersión, la superficie de la perovskita se vuelve más cristalina después de que los iones sueltos se eliminan a través del proceso de lavado al vacío y con solvente.

Para confirmar aún más estos resultados, los científicos realizaron perfiles de profundidad de espectroscopia de fotoemisión de rayos X en la instalación de sondas proximales CFN. Los espectros de energía de los electrones expulsados ​​de la muestra modificada por el proceso después de que se irradió con rayos X revelaron que existía una concentración menor de iones en la superficie en relación con la superficie de la muestra sin modificar.

“Las herramientas complementarias en CFN y NSLS-II nos permitieron descubrir por qué se mejoró la estabilidad intrínseca del material”, dijo el coautor Chang-Yong Nam, científico de materiales en el CFN Electronic Nanomaterials Group y profesor adjunto en el Departamento de Ciencia de Materiales e Ingeniería Química de la Universidad de Stony Brook. “Deberíamos poder aplicar este conocimiento para mejorar el rendimiento no solo de este material, sino también de otras perovskitas híbridas, que comparten problemas de estabilidad similares”.

En última instancia, al equipo de GIST le gustaría aplicar su método de procesamiento a la fabricación de dispositivos de gran área (tamaño de una pulgada) y desarrollar soluciones de ingeniería para la fabricación comercial de células solares de perovskita híbridas de gran área altamente eficientes.

“Nuestros resultados ejemplifican el tipo de sinergia que una estrecha colaboración internacional puede crear hacia un entendimiento científico crítico para el avance de tecnologías energéticas importantes como las células solares híbridas de perovskita”, dijo Lee. “Las capacidades en CFN y NSLS-II y el apoyo recibido de científicos como Kevin Yager y Xiao Tong fueron fundamentales. Esperamos oportunidades futuras para realizar investigaciones en estas instalaciones de usuarios”.