Una fotografía de una célula solar en tándem de perovskita fabricada por los investigadores. Crédito:Lin et al.
Un equipo de investigadores de la Universidad de Nanjing en China y la Universidad de Toronto en Canadá han fabricado recientemente células solares en tándem (PSC) totalmente de perovskita, un tipo de célula solar con un componente estructurado clave de perovskita. Estas nuevas células solares, presentado en un artículo presentado en Energía de la naturaleza , lograron una eficiencia notable, superando a otras soluciones existentes.
"La idea inicial de este trabajo de investigación era hacer células solares en tándem de perovskita que pudieran ser más eficientes que las células solares de perovskita de unión única". "Hairen Tan, el investigador principal del estudio, dijo a TechXplore.
Las perovskitas son un grupo de minerales que tienen la misma estructura cristalina que la perovskita, un amarillo, Mineral marrón o negro que consiste principalmente en titanato de calcio. En los ultimos años, varios equipos de investigación en todo el mundo han intentado desarrollar células solares utilizando este material, normalmente utilizando perovskitas de banda ancha (~ 1.8 eV) o de banda estrecha (~ 1.2 eV).
Fabricación de células solares en tándem de perovskita, combinando así perovskitas de banda ancha y banda estrecha, podría conducir a una mayor eficiencia de conversión de energía (PCE) que la obtenida por las celdas de unión simple sin aumentar los costos de fabricación. Para construir este nuevo tipo de célula solar, sin embargo, los investigadores deben encontrar una manera de mejorar el rendimiento de cada subcélula, al mismo tiempo que integra sinérgicamente las células de banda ancha y estrecha.
"Desafortunadamente, Las células solares de perovskita de banda estrecha de Pb-Sn mezcladas previamente reportadas han exhibido bajas eficiencias (PCE ~ 18-20 por ciento) y bajas densidades de corriente de cortocircuito (J Carolina del Sur ~ 28-30 mA / cm 2 ), ", Dijo Tan." Estos se encuentran muy por debajo de su potencial, y por debajo del rendimiento de las mejores células de perovskita de unión simple basadas en Pb ".
La razón clave del bajo rendimiento observado en las células solares de perovskita de banda estrecha desarrolladas previamente es que uno de sus componentes clave, conocido como Sn 2+ , se oxida fácilmente en Sn 4+ . Como resultado, la película celular resultante exhibe altas densidades de atrapamiento y longitudes cortas de difusión del portador. En su estudio, Tan y sus colegas querían identificar soluciones que pudieran ayudar a superar esta limitación.
"Nuestro principal objetivo en este trabajo es iniciar una estrategia para ampliar la difusión de las células solares de perovskita de banda estrecha y así lograr un mejor rendimiento de las células solares en tándem". ", Dijo Tan." Las vacantes de Sn son causadas típicamente por la incorporación de Sn 4+ (un producto de Sn 2+ oxidación) en las perovskitas mixtas de Pb-Sn. Consideramos que una nueva estrategia para prevenir la oxidación de Sn 2+ en la solución precursora podría mejorar drásticamente la longitud de difusión del portador de carga ".
Tan y sus colegas introdujeron un nuevo enfoque químico que, en última instancia, podría mejorar el rendimiento de los PSC. Este enfoque se basa en una reacción de cambio de proporción que conduce a avances sustanciales en las longitudes de difusión del portador de carga de las perovskitas de banda estrecha de Pb-Sn mixtas.
Todos los enfoques propuestos anteriormente se caracterizan por longitudes de difusión submicrométricas, lo que puede afectar la eficiencia general de la celda. En su trabajo, por otra parte, Tan y sus colegas lograron una longitud de difusión de 3 μm; un resultado notable que permite un rendimiento récord de células Pb-Sn y células en tándem de perovskita.
"Lo logramos mediante el desarrollo de una estrategia de solución de precursores reducidos en estaño que devuelve el Sn 4+ (un producto de oxidación de Sn 2+ ) de regreso a Sn 2+ a través de una reacción de conmutación porcentual en la solución precursora, "Tan explicó.
La oxidación de perovskitas que contienen estaño ha sido un problema crucial para el desarrollo de células solares con un componente de perovskita. ya que puede afectar negativamente a su rendimiento y, por lo tanto, dificultar su aplicación en una variedad de entornos. El nuevo enfoque químico introducido por Tan y sus colegas proporciona una ruta alternativa para fabricar células solares en tándem utilizando perovskita de banda estrecha que contiene estaño. lo que conduce a células más estables y eficientes.
"Nuestro trabajo también destaca que la calidad electrónica de las perovskitas que contienen estaño puede ser comparable a la de las perovskitas de haluro de plomo que ha demostrado una eficiencia similar a las células de silicio cristalino". ", Agregó Tan." No tenemos ninguna duda de que nuestro enfoque en tándem finalmente nos ofrecerá una vía para pero dispositivos solares altamente eficientes ".
En su estudio, Tan y sus colegas utilizaron su enfoque químico para fabricar células en tándem monolíticas de perovskita y luego probaron su rendimiento. Descubrieron que sus celdas en tándem obtuvieron impresionantes PCE certificados de forma independiente del 24,8 por ciento para dispositivos de área pequeña (0,049 cm 2 ) y 22,1 por ciento para dispositivos de gran superficie (1,05 cm 2 ).
Es más, las celdas retuvieron el 90 por ciento de su rendimiento después de funcionar durante más de 400 horas en su punto de máxima potencia bajo la iluminación completa de un sol. En el futuro, El enfoque introducido por este equipo de investigadores podría informar el desarrollo de dispositivos de energía solar más eficientes y rentables.
"Ahora planeamos mejorar aún más la eficiencia de conversión de energía de las células solares en tándem de perovskita más allá del 28 por ciento, ", Dijo Tan." La primera forma posible de lograr esto será reducir la pérdida de fotovoltaje en la celda solar de perovskita de banda ancha. Otra posibilidad es reducir las pérdidas ópticas en la unión de recombinación de tunelización ".
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