Las células solares de perovskita (PSC) convencionales están compuestas por una capa de transporte de electrones debajo de la capa absorbente de luz de perovskita y una capa de transporte de huecos arriba. Si bien este diseño ha proporcionado un sólido rendimiento en el laboratorio, enfrenta obstáculos a la hora de ampliarlo para lograr una producción de gran superficie y una estabilidad a largo plazo.
El PSC invertido intercambia las posiciones de estas dos capas de transporte. Esta arquitectura reversible ofrece un alto potencial de conversión de energía y funciona bien con métodos de procesamiento basados en soluciones adecuados para la producción a gran escala, lo que la convierte en un diseño fotovoltaico atractivo.
A pesar de estas ventajas, los PSC invertidos se han visto limitados por el problema de la interfaz inferior, también conocida como interfaz enterrada, donde la capa de perovskita hace contacto con la capa de transporte del agujero. En estas uniones ocultas se pueden formar irregularidades estructurales microscópicas y defectos electrónicos, lo que reduce tanto la eficiencia como la durabilidad con el tiempo.
Presiembra de solvato de cristal para control de interfaz
Para abordar este problema, investigadores del Instituto Qingdao de Bioenergía y Tecnología de Bioprocesos (QIBEBT) de la Academia China de Ciencias introdujeron una técnica de presiembra de solvato de cristal (CSV) que permite un control preciso sobre esta interfaz crítica del fondo. Su enfoque apoya el desarrollo de módulos solares de perovskita de gran superficie y alta eficiencia. Se publican los resultados Síntesis de la naturaleza El 27 de febrero.
El proceso comienza depositando semillas de solvatos de cristales de haluros de baja dimensión especialmente diseñadas sobre sustratos modificados con monocapa autoensamblada (SAM) con PDPbI4·DMSO. Estos nanocristales CSV sirven como guía estructural para los cristales de perovskita que se desarrollarán posteriormente.
Los nanocristales CSV en forma de varilla permiten una cobertura más uniforme, mejorando la forma en que el precursor de perovskita se propaga a través de la superficie SAM normalmente resistente al agua. A medida que avanza la cristalización, los nanocristales predepositados actúan como numerosos centros de nucleación, acelerando y dirigiendo la formación de la capa de perovskita.
El recocido con disolvente confinado en celosía mejora la estabilidad
Un componente clave de la técnica implica moléculas de dimetilsulfóxido (DMSO) incrustadas en la estructura cristalina del CSV. Durante el recocido térmico, estas moléculas de DMSO se liberan lentamente, creando un entorno de “recocido con disolvente confinado en una red” en la interfaz inferior, dicen los investigadores.
Esta atmósfera de solvente local promueve la reorganización y el crecimiento de los granos, trabajando junto con el proceso de cristalización de semillas para producir una película más uniforme y estable.
“Desarrollamos un enfoque integrado que aborda simultáneamente la regulación de la cristalización y la estabilidad de la interfaz”, dijo el Dr. Jiuhong Sun, coprimer autor del estudio. “Esta técnica también proporciona un buen rendimiento en interfaces enterradas, que son notoriamente difíciles de controlar con precisión”.
Módulo solar de gran superficie de alta eficiencia
Al reducir los huecos interfaciales y suavizar los surcos de los límites de los granos, el método crea una región densa y altamente orientada dentro de la película de perovskita (la “capa inferior” de perovskita). Esta mejora estructural conduce a propiedades electrónicas mejoradas y una mayor resistencia al estrés inducido por el calor y la luz.
Los investigadores también combinaron el método de presiembra CSV con un proceso de recubrimiento con ranura para producir un minimódulo solar de perovskita con un área de apertura de 49,91 cm.2. El dispositivo logró una eficiencia de conversión de energía del 23,15%. La eficiencia desde pequeñas celdas de laboratorio hasta minimódulos más grandes fue inferior al 3%, superando así muchos estudios publicados anteriormente.
“Esta tecnología supera la antigua barrera de escala causada por los efectos del tamaño mediante una combinación de cristalización inducida y recuperación de la interfaz enterrada”, dijo el profesor Shuping Pang. “Más allá de la aplicación directa a la energía fotovoltaica de perovskita, el concepto de presiembra de solvato de cristal establece una plataforma de material versátil: al ajustar cationes orgánicos y moléculas de solventes, se puede diseñar una biblioteca diversa de materiales CSV, abriendo un nuevo paradigma para la ingeniería de interfaces en perovskita fotovoltaica y otros dispositivos optoelectrónicos por igual”.
