Investigadores de la Universidad de Tokai informan en Nano letras un estudio sistemático sobre los efectos que tiene el uso de diferentes formas de óxido de titanio en células solares planas de perovskita sobre el rendimiento de los dispositivos.

Células solares de perovskita, con una eficiencia de conversión de energía máxima actual del 23 por ciento, son muy prometedores para la producción de energía fotovoltaica a través de dispositivos que son fáciles y económicos de fabricar. Las células planas están compuestas por una capa hecha de un material captador de luz con una estructura que recibe el nombre de perovskita y que a menudo es un material híbrido orgánico-inorgánico. En esta capa, la luz absorbida genera portadores de carga, electrones y huecos, que luego se recogen, respectivamente, en una capa de transporte de electrones y en un material de transporte de huecos, que emparedan la capa de perovskita. Estas dos capas están a su vez cubiertas con electrodos, uno de los cuales es transparente para permitir que la luz entre en el dispositivo. Mejorar el rendimiento de cada uno de estos elementos es importante para maximizar la eficiencia de la célula solar.

Md. Shahiduzzaman, Masao Isomura, Koji Tomita y sus colegas de la Universidad de Tokai centraron su atención en particular en la capa de transporte de electrones. El material de elección para este componente es a menudo óxido de titanio, cuya estructura electrónica facilita la recogida de electrones de la capa de perovskita. El óxido de titanio tiene varios polimorfos cristalinos que incluyen anatasa, Brookite y rutilo. Tienen diferentes estructuras y propiedades y sus distintas morfologías influyen en la calidad de la capa de perovskita. por lo tanto, la elección del polimorfo influye en el rendimiento general de la célula solar, y comprender esta influencia es importante para optimizar la eficiencia de los dispositivos. En este trabajo, los autores se centraron en las formas anatasa y brookita del óxido de titanio. Anatase es barato, transparente y fácil de integrar en la célula solar y, por lo tanto, es una opción común para la capa de transporte de electrones, pero brookite tiene propiedades electrónicas prometedoras que podrían conducir a una mejor eficiencia de la célula solar, y aún no ha sido ampliamente explorado.

Los autores utilizaron una técnica de baja temperatura y respetuosa con el medio ambiente para preparar nanopartículas de brookita monocristalinas y altamente conductoras que utilizaron para producir capas de transporte de electrones heterofase anatasa-brookita y brookita-anatasa. así como capas basadas en anatasa y brookita monofásicas. Para comparar el rendimiento de las diversas capas de transporte de electrones, los investigadores midieron su morfología, características ópticas y estructurales, evaluó la interfaz entre las capas y la perovskita, y finalmente midió el rendimiento de las células solares resultantes.

Descubrieron que el uso de brookite monofásico resultó en una eficiencia energética del 14,92 por ciento, el rendimiento más alto informado hasta la fecha para este tipo de capa de transporte de electrones. Las capas de heterofase dieron como resultado rendimientos de hasta el 16.82 por ciento para la fase anatasa-brookita. Como comentan los autores, "El presente trabajo presenta una estrategia eficaz para desarrollar capas de transporte de electrones de unión heterofásica y manipular la banda de energía interfacial para mejorar aún más el rendimiento de las células solares planas de perovskita y permitir la fabricación limpia y ecológica de producción en masa de bajo costo. "

Células solares planas de perovskita

En un lado de la celda solar está el primer electrodo, un óxido conductor transparente, típicamente óxido de estaño dopado con flúor (FTO) o óxido de indio y estaño (ITO), seguido de una capa de transporte de electrones. En la parte superior está la capa absorbente de luz hecha del material de perovskita, un material con una fórmula química ABX3, donde A y B indican dos iones cargados positivamente, y X un ion cargado negativamente -, luego un material de transporte de agujeros y finalmente el segundo electrodo, que comúnmente está hecho de oro, plata o carbono. La capa de transporte de electrones no siempre está presente, pero facilita el transporte de electrones al electrodo y, por lo tanto, generalmente mejora la eficiencia y estabilidad del dispositivo.

Eficiencia de conversión de energía y cómo se mide

La eficiencia de conversión de energía es la fracción de la energía incidente del sol que se convierte en electricidad. Las condiciones bajo las cuales se mide la eficiencia deben controlarse cuidadosamente, porque la eficiencia depende no solo de las propiedades de la célula solar, pero también sobre el espectro y la intensidad de la luz solar incidente y sobre la temperatura. En el laboratorio, Las células solares se prueban a 25 ° C teniendo en cuenta que la luz solar es atenuada por la atmósfera antes de llegar a la superficie de la tierra (técnicamente se dice que un coeficiente de masa de aire de 1,5, AM1.5, se utiliza).