Las tecnologías fotovoltaicas (PV), que convierten la luz en electricidad, se aplican cada vez más en todo el mundo para generar energía renovable. Investigadores de la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (HKUST) han desarrollado un tratamiento molecular que aumenta significativamente la eficiencia y estabilidad de las células solares de perovskita. Su avance probablemente acelerará la producción a gran escala de esta energía limpia.
La clave de la solución fue la identificación exitosa de parámetros clave que determinan el rendimiento y la vida útil de las perovskitas de haluro, un material fotovoltaico de próxima generación que se ha convertido en uno de los materiales más prometedores en dispositivos fotovoltaicos por su estructura cristalina única. Los resultados se publican ciencia.
Un equipo de investigación dirigido por LIN Yen-Hung, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Electrónica e Informática, y el Laboratorio Estatal de Tecnologías Optoelectrónicas y de Visualización Avanzada investigó diferentes métodos de pasivación, un proceso químico que reduce o minimiza el número de defectos. sus efectos. en materiales, aumentando así el rendimiento y la longevidad de los dispositivos que contienen estos materiales. Se centraron en la familia molecular de los “aminosilanos” para pasivar las células solares de perovskita.
“La pasivación en muchas formas ha sido fundamental para mejorar el rendimiento de las células solares de perovskita durante la última década. Sin embargo, las rutas de pasivación que conducen a las mayores eficiencias a menudo no mejoran significativamente la estabilidad operativa a largo plazo”. El profesor Lin explicó el problema. .
Por primera vez, el equipo de investigación demostró cómo diferentes tipos de aminas (primarias, secundarias y terciarias) y sus combinaciones pueden mejorar las superficies de las películas de perovskita, donde se forman muchos defectos. Lo lograron utilizando métodos tanto “ex situ” (fuera del entorno operativo) como “in situ” (dentro del entorno operativo) para observar las interacciones de las moléculas con las perovskitas. A partir de ahí, identificaron moléculas que aumentaban significativamente el rendimiento cuántico de fotoluminiscencia (PLQY), es decir, la cantidad de fotones emitidos durante la excitación del material, lo que indica menos defectos y mejor calidad.
“Este enfoque es fundamental para el desarrollo de células solares en tándem, que combinan múltiples capas de materiales fotoactivos con diferentes bandas prohibidas. El diseño maximiza el uso del espectro solar al absorber diferentes porciones de luz solar en cada capa. Hace más, lo que lleva a un mayor rendimiento general. rendimiento”, explicó el profesor Lin sobre la aplicación.
En su demostración de células solares, el equipo creó dispositivos de tamaño mediano (0,25 cm²) y grande (1 cm²). El experimento logró una baja pérdida de fotovoltaje en una amplia gama de bandas prohibidas manteniendo al mismo tiempo una salida de alto voltaje. Estos dispositivos alcanzaron voltajes en circuito abierto superiores al 90% del límite termodinámico. La comparación con casi 1.700 conjuntos de datos de la literatura existente muestra que su resultado es el mejor jamás reportado en términos de eficiencia en la conversión de energía.
Más importante aún, el estudio demostró una notable estabilidad operativa para las células pasivadas con aminosilano según el protocolo de la Cumbre Internacional sobre Células Solares Orgánicas (ISOS)-L-3, un estándar para el procedimiento de prueba. Alrededor de 1.500 horas de envejecimiento de las células, la eficiencia del punto de máxima potencia (MPP) y la eficiencia de conversión de energía (PCE) se mantuvieron altas. Para las mejores celdas pasivas hasta el 95% de sus valores iniciales, la eficiencia Champion MPP y Champion PCE registraron 19,4% y 20,1% respectivamente, la más alta (cuando se tiene en cuenta la banda prohibida y la matriz más larga reportada). hasta hoy
El profesor Lin destacó que su proceso de tratamiento no sólo aumenta la eficiencia y la estabilidad de las células solares de perovskita, sino que también es compatible con la producción a escala industrial.
“Este tratamiento es similar al proceso de cebado con HMDS (hexametildisilazano) que se utiliza ampliamente en la industria de los semiconductores”, afirmó. “Estas similitudes muestran que nuestro nuevo método puede integrarse fácilmente en los procesos de fabricación existentes, es comercialmente viable y está listo para su uso a gran escala”.
El equipo incluía a CAO Xue-Li, estudiante de doctorado en ingeniería electrónica e informática, al Dr. Fion YEUNG, director senior del Laboratorio Estatal de Tecnologías Optoelectrónicas y de Visualización Avanzada, junto con colegas de la Universidad de Oxford y la Universidad de Sheffield.
