El desarrollo de electrodos metálicos estables y de bajo costo es crucial para la producción en masa de células solares de perovskita (PSC). Como elemento abundante en la tierra, el Cu se convierte en un candidato alternativo para reemplazar los electrodos de metales nobles como el Au y el Ag, debido a sus propiedades fisicoquímicas comparables con una buena estabilidad y un bajo costo al mismo tiempo. Sin embargo, la alineación de banda no deseada asociada con la arquitectura del dispositivo impide la exploración de PSC n-i-p eficientes basados ​​en Cu. Para resolver este problema, los investigadores en China investigaron la diferencia de nivel de energía en diferentes interfaces y ofrecieron un camino potencial para lograr PSC n-i-p más eficientes con un electrodo de Cu.

Publicaron su trabajo el 8 de julio en Energy Material Advances .

"El desarrollo de PSC rentables y de alto rendimiento es imperativo", dijo el autor del artículo Huanping Zhou, profesor de la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Pekín (PKU). "Actualmente, el electrodo de Cu ha atraído mucha atención debido a su bajo costo y buena estabilidad, pero tiene un rendimiento limitado para las PSC de estructura n-i-p".

Zhou explicó que el electrodo de Cu tiene varias ventajas significativas como alternativa al Au o Ag, especialmente como electrodo posterior, que es responsable del transporte del portador en el dispositivo.

"Cu es el elemento abundante en la tierra, y cuesta menos de 1/80 de Ag y 1/5500 de Au", dijo Zhou. "Cu es el candidato prometedor para ser electrodo PSC por sus propiedades físicas comparables (es decir, conductividad) con Au y Ag, y buena estabilidad".

Pero los PSC n-i-p basados ​​en Cu no pueden exhibir un alto rendimiento fotovoltaico. Según Zhou, el principal obstáculo es que el nivel de Fermi de la capa de transporte de huecos (HTL, como Spiro-OMeTAD, –4,19 eV) es bastante diferente con la función de trabajo de Cu (–4,7 eV), lo que conduce a una gran barrera de Schottky en la interfaz HTL/Cu. Este fenómeno no existe en los PSC p-i-n, porque el nivel de Fermi de C₆₀ de uso común (capa de transporte de electrones) es de aproximadamente -4,5 eV, que es similar a la función de trabajo de Cu. Esta es la razón por la cual los PSC p-i-n basados ​​en Cu pueden exhibir un alto rendimiento optoelectrónico mientras que los PSC n-i-p basados ​​en Cu no pueden.

Para abordar este problema, Zhou y su equipo ajustaron sistemáticamente el nivel de Fermi de HTL para que coincida con la función de trabajo del electrodo de Cu, de modo que la diferencia de energía en la interfaz HTL/Cu pueda reducirse para un mejor transporte del portador. Sin embargo, la diferencia de energía entre la perovskita (el nivel de Fermi es -4,08 eV) y el electrodo de Cu es constante, por lo que la diferencia de energía más pequeña entre HTL y Cu significa una diferencia de energía más grande entre perovskita y HTL, lo que es perjudicial para la extracción de portadores. Cómo equilibrar la diferencia de energía entre las interfaces de perovskita/HTL y HTL/Cu se está volviendo importante para el rendimiento de PSC.

"Al igual que el efecto del cubo, esperamos que las interfaces de perovskita/HTL y HTL/Cu no sean los cubos más cortos durante la operación del dispositivo", dijo Zhou. "En este documento, ajustamos cuidadosamente el nivel de Fermi de HTL para equilibrar la diferencia de energía en las interfaces perovskita/HTL y HTL/Cu, mediante la adición de diferentes cantidades de PTAA en Spiro-OMeTAD".

"Llegamos a la conclusión de que la diferencia de energía equilibrada entre las interfaces de perovskita/HTL y HTL/Cu podría mejorar significativamente las propiedades de recolección y transporte de carga en los dispositivos n-i-p PSC resultantes", dijo Zhou.

Los investigadores probaron el rendimiento optoelectrónico de las PSC n-i-p basadas en el electrodo de Cu y diferentes HTL. A través de los parámetros fotovoltaicos, dijo Zhou, una diferencia de energía más pequeña entre HTL y Cu podría conducir a una mayor densidad de corriente de cortocircuito (Jsc), mientras que una diferencia de energía más pequeña entre perovskita y HTL podría conducir a un voltaje de circuito abierto más alto (Voc). Finalmente, la diferencia de energía equilibrada entre las interfaces de perovskita/HTL y HTL/Cu podría conducir a Jsc y Voc moderados, especialmente un factor de relleno (FF) más alto, lo que finalmente contribuyó a mejorar la eficiencia de conversión de energía (PCE).

"El PSC n-i-p de mejor rendimiento con el electrodo de Cu logró una PCE de 20,10 % con Voc de 1,084 V y FF de 78,77 %", dijo Zhou. "Los dispositivos también exhibieron una buena estabilidad, que podría permanecer en el 92 % de su PCE inicial después de 1000 h de almacenamiento. Este hallazgo no solo amplía la comprensión sobre la alineación de bandas de la capa funcional de semiconductores vecina en la arquitectura del dispositivo para mejorar el rendimiento resultante, sino que también también sugiere un gran potencial del electrodo de Cu para su aplicación en la comunidad de PSC". + Explora más

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