Una célula solar de perovskita desarrollada por ingenieros de la Universidad de California en San Diego acerca a los investigadores a romper el techo de la eficiencia de las células solares, sugiere un estudio publicado el 10 de agosto en Nature .

La nueva celda solar es un material de perovskita de baja dimensión sin plomo con una estructura de cristal de superred, una novedad en el campo. Lo especial de este material es que muestra una dinámica de portador eficiente en tres dimensiones y la orientación de su dispositivo puede ser perpendicular a los electrodos. Los materiales de esta clase particular de perovskitas hasta ahora solo han exhibido tal dinámica en dos dimensiones:nunca se ha informado sobre una celda solar orientada perpendicularmente.

Gracias a su estructura específica, este nuevo tipo de celda solar superlattice alcanza una eficiencia del 12,36 %, que es la más alta registrada para las celdas solares de perovskita de baja dimensionalidad sin plomo (la eficiencia del récord anterior es del 8,82 %). La nueva celda solar también tiene un voltaje de circuito abierto inusual de 0,967 V, que es superior al límite teórico de 0,802 V. Ambos resultados han sido certificados de forma independiente.

El voltaje de circuito abierto es una propiedad de las celdas solares que contribuye a su eficiencia, por lo que esta nueva celda solar "puede tener el potencial de romper el límite teórico de eficiencia de las celdas solares actuales", dijo el autor principal del estudio, Sheng Xu, profesor de nanoingeniería en la la UC San Diego. "Algún día, esto podría permitirnos lograr una mayor eficiencia con más electricidad de los paneles solares existentes, o generar la misma cantidad de electricidad a partir de paneles solares más pequeños a costos más bajos".

Los investigadores plantean la hipótesis de que el voltaje de circuito abierto mejorado del material podría atribuirse a un nuevo mecanismo físico que llaman relajación de la portadora intrabanda. La estructura de superred única del material permite que diferentes componentes de la célula solar se integren en la dirección vertical, lo que crea una estructura de doble banda a escala atómica. Bajo la luz, los electrones excitados podrían relajarse de un componente (región de banda prohibida más pequeña) a otro componente (región de banda prohibida más grande) antes de equilibrarse para alterar los niveles de Fermi en la celda solar de superred. Esto contribuye a un mayor voltaje de circuito abierto. Se verifica que este proceso está relacionado con el potencial incorporado en la celda solar de superred. Los investigadores también reconocen que existen otros posibles mecanismos que ocurren en la estructura única de superred que podrían estar contribuyendo a su voltaje de circuito abierto inusualmente alto.

Para crear la nueva célula solar de perovskita de baja dimensionalidad y sin plomo, los investigadores utilizaron técnicas químicas de epitaxia para fabricar una red de cristal de superred. La estructura de la red es única porque consiste en pozos cuánticos de perovskita que están alineados verticalmente y entrecruzados. Esta estructura entrecruzada hace que la dinámica del portador del material, que incluye la movilidad de los electrones, la vida útil y las rutas de conducción en las tres dimensiones, sea más eficiente que simplemente tener múltiples pozos cuánticos. Estas técnicas se pueden utilizar potencialmente para crear superredes de perovskita de diferentes composiciones.

"Esta superred de perovskita demuestra un rendimiento de transporte de portadores sin precedentes con el que muchos investigadores en el campo han soñado", dijo Yusheng Lei, autor principal de este artículo, quien obtuvo un Ph.D. estudiante en el laboratorio de Xu en UC San Diego y ahora es investigador postdoctoral en la Universidad de Stanford.

La superred consta de una separación de fases creada mediante nanoingeniería entre Bi ³⁺ Regiones Sn-I aleadas e intactas en pozos cuánticos múltiples alineados verticalmente. Esta composición crea variaciones de componentes en la escala atómica, lo que a su vez permite que los portadores calientes crucen rápidamente la interfaz heteroestructural de múltiples pozos cuánticos antes de que se relajen, una hazaña que generalmente es imposible de lograr, explicaron los investigadores. Aquí, es posible debido a la corta longitud de difusión requerida para cruzar la interfase heteroestructural.

"Este trabajo abre un gran potencial nuevo y emocionante para la clase de materiales de perovskita de baja dimensión sin plomo", dijo Xu. En el futuro, el equipo trabajará para optimizar y ampliar el proceso de fabricación para hacer los cristales de superred, que actualmente sigue siendo laborioso y desafiante. Xu espera involucrar a socios en la industria de las células solares para estandarizar el proceso. + Explora más

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