Un punto cuántico de sulfuro de plomo con ligandos de superficie de cadena larga. Las células solares fabricadas con puntos cuánticos son muy prometedoras como tecnología fotovoltaica de próxima generación. pero necesita demostrar estabilidad a largo plazo. Crédito:KAUST, Ahmad Kirmani
Un proceso desarrollado en KAUST para depositar películas extremadamente delgadas y suaves puede facilitar la fabricación de células solares estables basadas en la tecnología de puntos cuánticos.
Los puntos cuánticos coloidales son pequeñas partículas semiconductoras capaces de absorber luz en una amplia gama de longitudes de onda. Debido a que estos puntos son fáciles de mezclar con solventes líquidos, los investigadores las han utilizado como "tintas solares" que se pueden imprimir en láminas de plástico flexibles. Sin embargo, Los primeros prototipos revelaron que la exposición al aire y la radiación ultravioleta degradaba la capacidad de la célula para transformar la luz solar en electricidad.
"Antes de 2014, Las células solares de puntos cuánticos coloidales eran muy inestables y no podían sobrevivir fuera de un entorno controlado de nitrógeno. ", dice Ahmad Kirmani, alumno de KAUST". Esta situación cambió con el desarrollo de una nueva arquitectura que mejoró tanto la estabilidad del dispositivo como la eficiencia de conversión de energía ".
Las últimas células solares de puntos cuánticos intercalan las diminutas partículas entre dos películas denominadas capas transportadoras de electrones o de huecos. Estos recubrimientos están diseñados para extraer rápidamente cargas negativas o positivas generadas por puntos fotoexcitados a un circuito externo. Además, las capas proporcionan una protección muy necesaria contra los elementos externos.
Esquema que muestra una celda solar de control con una capa gruesa de transporte de electrones de óxido de zinc (ETL) (izquierda) y una celda solar que emplea la capa ultrafina y estable de transporte de electrones desarrollada en este trabajo (derecha). Las imágenes SEM están detrás de cada esquema. Crédito:KAUST 2020; Ahmad R. Kirmani
Kirmani y sus colegas se dieron cuenta de que reducir el tamaño de la capa transportadora de electrones podría impulsar el rendimiento de las células solares de puntos cuánticos. Estas películas a menudo comprenden materiales sensibles a los rayos ultravioleta, como el óxido de zinc, y normalmente deben tener un grosor de más de 100 nanómetros para evitar la formación de defectos que puedan provocar un cortocircuito en el dispositivo. A diferencia de, Las películas más delgadas son más deseables porque pueden extraer electrones fotogenerados a velocidades más altas.
El equipo de KAUST desarrolló una técnica de dos pasos para producir películas ultrafinas que son lo suficientemente suaves para una recolección de electrones eficiente. Primero, depositaron una capa de óxido de indio sobre un electrodo transparente para promover un crecimiento de película muy ordenado. Una segunda deposición de óxido de zinc, solo 20 nanómetros de altura, selló cualquier defecto poroso y generó una interfaz extremadamente uniforme.
"Inicialmente, tuvimos problemas con la reproducibilidad del dispositivo debido a irregularidades en la superficie, "dice Kirmani." Películas ultradelgadas, sin embargo, se adhieren mejor al sustrato. Optimizando las concentraciones de la solución, liberamos tensiones mecánicas para fabricar películas muy planas ".
Las comparaciones con un dispositivo de control demostraron que la capa ultrafina transportadora de electrones funcionaba con la misma eficacia que una película de óxido de zinc más gruesa. Asombrosamente, la mezcla de óxidos de zinc e indio en la nueva celda solar prolongó su vida útil, estabilidad operativa y tolerancia a los rayos ultravioleta:ventajas que el equipo atribuye en parte a una mayor transmitancia óptica a través del dispositivo.
