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Towards Stable and Highly Efficient Tin-based Perovskite Solar Cells

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Un gran paso hacia las células solares de perovskitas, estables y sin plomo

La eficiencia de las células solares que incluyen una familia de materiales cristalinos llamados perovskitas ha aumentado drásticamente en un corto período de tiempo. ¿Pasará su trayectoria pronto del ámbito del laboratorio al industrial? En un proyecto financiado con fondos europeos se abordaron cuestiones fundamentales clave.

Cambio climático y medio ambiente

La fascinante estructura y las propiedades de las perovskitas las han situado a la vanguardia de la investigación de materiales para una amplia gama de aplicaciones. Las perovskitas de haluros de metal —subconjunto de perovskitas orgánicas-inorgánicas híbridas que contienen iones de haluros como el yoduro o el bromuro— destacan especialmente por su potencial sin precedentes para convertir la luz solar en electricidad. Desde que se descubrieran en 2009, la eficiencia de estos materiales incipientes no ha hecho más que crecer, pasando de ser del 3,8 % a superar el 25 %. Su uso es tentador por varios motivos. Los ingredientes son abundantes y los investigadores pueden combinarlos fácilmente en películas finas que disponen de una estructura altamente cristalina, similar a la que se obtiene con obleas de silicio tras un caro procesado a alta temperatura. Podrían llegar a bobinarse rollos finos y flexibles de película de perovskita transparente mediante impresoras 3D para fabricar láminas solares ligeras y coloridas destinadas a integrarse en las ventanas y fachadas de los edificios, una hazaña que las células fotovoltaicas de silicio difícilmente podrían emular. Lamentablemente, las perovskitas de haluros de metal pueden deteriorarse en poco tiempo, puesto que son sensibles a la humedad y al calor. Además de la estabilidad, la toxicidad del plomo ha sido una de las cuestiones más problemáticas que han obstaculizado el camino de las perovskitas hacia la comercialización. Para hacer frente a estos retos, se puso en marcha el proyecto TinPSC, financiado por el programa Marie Skłodowska-Curie.

Estructuras de perovskitas dobles sin plomo

«Nos centramos en desarrollar perovskitas dobles sin plomo, una generación totalmente nueva de compuestos en los que un metal monovalente y otro trivalente sustituyen al plomo divalente. Nos basamos en iniciativas previas que habían tenido éxito y dado como resultado un dispositivo altamente estable con excelentes propiedades electrónicas y longitudes de difusión de más de 100 nm. Estos valores elevados reflejan la calidad del material y su idoneidad para el uso en la optoelectrónica», señala Feng Wang, coordinador de TinPSC. Las actividades del proyecto se centraron especialmente en desarrollar estrategias eficaces para reducir la banda prohibida de las perovskitas dobles sin plomo, un factor habitual que limita la absorción eficaz de la luz. Lo interesante de las perovskitas es que permiten a los investigadores ajustar la banda prohibida de energía a voluntad, mediante la modificación de los ingredientes que la componen, lo que aumenta la posibilidad de aumentar la eficacia de la absorción. «Hemos ampliado satisfactoriamente los límites de absorción de Cs2AgBiBr6 hasta el infrarrojo cercano a través del dopaje con Cu. Los resultados indicaron que el dopaje con Cu afecta débilmente a las bandas de valencia y conducción de la estructura del hospedador, pero introduce estados de bandas prohibidas intermedias que potencian en gran medida la absorción de infrarrojos. Más interesante aún resulta que el estado de la subbanda prohibida puede generar considerables portadores de banda mediante la excitación del infrarrojo cercano», explica Wang. Los investigadores también idearon una estrategia de ingeniería de cristales para modificar la banda prohibida de materiales. «Con solo controlar la temperatura y la velocidad de crecimiento de los cristales, pudimos reducir la banda prohibida a un valor récord de 1,72 eV. Se trata de la banda prohibida más baja que se ha notificado nunca para Cs2AgBiBr6 en condiciones ambientales», añade Wang. La reducción de la banda prohibida se confirmó con mediciones tanto de absorción como de fotoluminiscencia.

Mejorar la estabilidad térmica y de la humedad

Como sucede en la arquitectura de cualquier dispositivo de celdas fotovoltaicas, la película fina de perovskita se sitúa entre dos capas de extracción de carga. Cuando se expone a la luz, los huecos y electrones que se generan en la retícula de perovskitas se desplazan hacia las capas exteriores y dan lugar a una corriente eléctrica. Las capas de transporte de huecos y electrones desempeñan un papel esencial en la supresión de las pérdidas de recombinación en las interfaces, que desvían la trayectoria de los electrones hacia la salida de la celda. La estabilidad de la capa de transporte determina en gran medida la estabilidad del dispositivo en su conjunto. El equipo del proyecto ideó un esquema singular para proteger la capa de transporte de los huecos frente a la humedad y el calor, pero la mayoría de los detalles se mantienen en secreto. El equipo afirma que los dispositivos de celdas fotovoltaicas de perovskitas resultantes serán mucho más estables en comparación con el estado de la técnica actual.

Palabras clave

TinPSC, perovskita, celda fotovoltaica, estabilidad, sin plomo, humedad, perovskitas de haluros de metal, silicio, capa de transporte de huecos

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