Cómo mejorar las células solares de perovskita

Una colaboración liderada por el grupo de investigación de Emilio Palomares, del Instituto Catalán de Investigación Química (ICIQ), arroja luz sobre el impacto que tiene el cambio de materiales en el rendimiento de una celda solar de perovskita. Los resultados, publicados en la revista internacional Energy & Environmental Science, ayudarán a racionalizar el diseño de componentes de celdas solares, aumentando así su atractivo comercial.

A pesar de que las células solares basadas en silicio son las más empleadas, las de perovskita son la tecnología solar que evoluciona más rápidamente. Desde que se utilizaron por primera vez en 2009, este tipo de celdas han logrado eficiencias altas (más del 22% con radiación solar estándar) a bajos costos de producción. Aunque la mayoría de sus componentes están optimizados, todavía hay margen de mejora, especialmente en referencia a los llamados materiales de transporte de agujeros (HTM, por sus siglas en inglés).

La colaboración entre investigadores de los grupos Palomares y Vidal de ICIQ, el grupo de Physical Chemistry of Surfaces and Interfaces del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC) y IMDEA Nanocienca, ha indagado sobre las razones tras las diferencias observadas en el rendimiento de celdas solares de perovskita al comparar cuatro HTM que presentan propiedades químicas y físicas similares.

Los pequeños cambios pueden ser poderosos

Las celdas solares basadas en perovskita son cada vez más estables en las condiciones de trabajo utilizadas, lo que las está volviendo atractivas comercialmente. La principal preocupación son los materiales que se usan, particularmente el espiro-OMeTAD, el HTM más común, a pesar de ser propenso a la degradación. Consecuentemente, la investigación actual se centra en encontrar alternativas. “Durante años, los científicos han estado diseñando nuevas moléculas que podrían reemplazar el espiro-OMeTAD.

Buscando moléculas con características eléctricas y ópticas similares a las del espiro-OMeTAD confiando en obtener resultados similares. Pero al probar los nuevos HTM, las celdas funcionaban mucho per, así que decidimos estudiar el porqué", explica Núria F. Montcada, investigadora postdoctoral del grupo Palomares y una de las autoras principales del estudio.

Los investigadores se dieron cuenta de que las nuevas moléculas con potencial para reemplazar el espiro-OMeTAD como HTM, se seleccionan en función de sus propiedades en solución. Sin embargo, en celdas solares funcionales estas moléculas se preparan en forma de películas delgadas cuyas superficies, a su vez, se ponen en contacto con otros materiales, formando interfases. Las interfases creadas pueden conferir cambios en las propiedades de las moléculas.

A través de la colaboración con científicas del ICMAB, se midió la función de trabajo de superficie de cada HTM en celdas solares de perovskites, descubriendo que "los niveles de energía del epiro-OMeTAD se alinean perfectamente con respecto a los otros componentes de la celda, mientras que los niveles energéticos son menos favorables para las nuevas moléculas HTM probadas. Las superficies e intercaras creadas en las celdas solares al apilar distintos materiales, tienen un papel crucial en el rendimiento del dispositivo funcional", dice Carmen Ocal, investigadora del ICMAB.

"Tenemos que ser conscientes de que la interfase perovskite-HTM puede cambiar los niveles de energía y producir desalineaciones de energía no deseadas. Hemos demostrado que el estudio de las moléculas se debe realizar en las condiciones en las que se vaya a utilizar la molécula; de lo contrario, el diseño de la molécula es por tanteo", concluye Montcada.

Referencia bibliográfica:

Ilario Gelmetti, Núria F. Montcada, Ana Pérez-Rodríguez, Esther Barrena, Carmen Ocal, Inés García-Benito, Agustín Molina-Ontoria, Nazario Martín, Anton Vidal-Ferran and  Emilio Palomares. "Energy alignment and recombination in perovskite solar cells: weighted influence on the open circuit voltage". Energy & Environmental Science. 2019,12, 1309-1316. DOI: 10.1039/C9EE00528E