Un investigador prueba la función de las células solares dentro de la guantera. Crédito:Universidad de la Ciudad de Hong Kong
Si bien la eficiencia de conversión de energía de las células solares de perovskita (PVSC), un futuro de las células solares, ya ha mejorado enormemente en la última década, los problemas de inestabilidad y el impacto ambiental potencial aún no se han superado. Recientemente, Científicos de la City University of Hong Kong (CityU) han desarrollado un método novedoso que puede abordar simultáneamente la fuga de plomo de los PVSC y el problema de la estabilidad sin comprometer la eficiencia. allanando el camino para la aplicación en la vida real de la tecnología fotovoltaica de perovskita.
El equipo de investigación está codirigido por el profesor Alex Jen Kwan-yue, Rector de CityU y profesor titular de Química y Ciencia de los Materiales, junto con el profesor Xu Zhengtao y el Dr. Zhu Zonglong del Departamento de Química. Los resultados de su investigación se publicaron recientemente en la revista científica Nanotecnología de la naturaleza , titulado "Estructura 2-D metal-orgánica para células solares de perovskita estables con fugas de plomo minimizadas".
En la actualidad, la mayor eficiencia de conversión de energía de los PVSC ha estado a la par con las células solares de silicio de última generación. Sin embargo, las perovskitas utilizadas contienen un componente de plomo que plantea la preocupación de una posible contaminación ambiental. "A medida que envejece la célula solar, las especies de plomo pueden filtrarse a través de los dispositivos, p.ej. a través del agua de lluvia en el suelo, planteando una amenaza de toxicidad para el medio ambiente, ", explicó el profesor Jen, que es un experto en PVSC." Para poner PVSC en usos comerciales a gran escala, no solo requiere una alta eficiencia de conversión de energía, sino también una estabilidad a largo plazo del dispositivo y un impacto ambiental minimizado ".
Colaborando con el profesor Xu, cuya experiencia es la síntesis de materiales, El profesor Jen y el Dr. Zhu dirigieron al equipo para superar los desafíos anteriores mediante la aplicación de estructuras metalorgánicas (MOF) bidimensionales (2-D) a las PVSC. "Somos el primer equipo en fabricar dispositivos PVSC con fugas de plomo minimizadas, buena estabilidad a largo plazo y alta eficiencia de conversión de energía simultáneamente, "El profesor Jen resumió el avance de su investigación.
Capa de MOF multifuncional
Los materiales de estructura metal-orgánica (MOF) se han aplicado previamente como andamios para moldear el crecimiento de perovskitas. Los científicos también los han utilizado como aditivos o modificadores de superficie para pasivar (para reducir la reactividad de la superficie del material) los defectos de las perovskitas para mejorar el rendimiento y la estabilidad del dispositivo.
Más del 80% de los iones de plomo filtrados se capturan en la capa superior de MOF para mitigar el impacto ambiental potencial. Crédito:DOI:10.1038 / s41565-020-0765-7
Sin embargo, la mayoría de los MOF 3-D son bastante aislantes eléctricos con baja movilidad del portador de carga, por lo tanto, inadecuado para ser utilizado como material de transporte de carga.
Pero los MOF preparados por el profesor Xu son diferentes. Son como un panal de abejas, Estructura 2-D equipada con numerosos grupos de tiol como funcionalidad clave. Poseen niveles de energía adecuados, lo que les permite ser una capa de extracción de electrones (también llamada "capa de recolección de electrones") donde los electrones finalmente son recolectados por el electrodo de los PVSC. "Nuestros MOF de ingeniería molecular poseen la propiedad de un semiconductor multifuncional, y se puede utilizar para mejorar la eficiencia de extracción de carga, "explicó el profesor Xu.
Atrapando los iones de plomo para prevenir la contaminación
Más importante, las densas matrices de grupos tiol y disulfuro en los MOF pueden "capturar" iones de metales pesados en la interfaz perovskita-electrodo para mitigar la fuga de plomo.
"Nuestros experimentos demostraron que el MOF utilizado como capa exterior del dispositivo PVSC capturó más del 80% de los iones de plomo filtrados de la perovskita degradada y formó complejos insolubles en agua que no contaminarían el suelo". "El profesor Jen explicó. A diferencia de los métodos de encapsulación física utilizados para reducir las fugas de plomo en otros estudios, Se descubrió que esta sorción química in situ de plomo por el componente MOF integrado en el dispositivo era más eficaz y sostenible para aplicaciones prácticas a largo plazo.
La concentración de plomo en la fase acuosa extraída de las M-PVSC envejecidas (PVSC con MOF) disminuyó drásticamente en comparación con las r-PVSC (PVSC sin MOF). Esto se atribuye a la reacción química entre la densa matriz de grupos tiol y disulfuro en el MOF con fugas de iones de plomo. Crédito:DOI:10.1038 / s41565-020-0765-7
Estabilidad operativa a largo plazo lograda
Es más, este material MOF podría proteger a las perovskitas contra la humedad y el oxígeno mientras mantiene una alta eficiencia.
La eficiencia de conversión de energía de su dispositivo PVSC modificado con MOF podría alcanzar el 22.02% con un factor de llenado del 81.28% y voltaje de circuito abierto de 1.20 V. Tanto la eficiencia de conversión como el voltaje de circuito abierto registrados se encuentran entre los valores más altos reportados para el PVSC planas invertidas. Al mismo tiempo, el dispositivo mostró una estabilidad superior en un entorno ambiental con una humedad relativa del 75%, manteniendo el 90% de su eficiencia inicial después de 1, 100 horas. A diferencia de, la eficiencia de conversión de energía del PVSC sin MOF se redujo significativamente a menos del 50% de su valor original.
También, su dispositivo retuvo el 92% de su eficiencia inicial bajo irradiación de luz continua durante 1, 000 horas a 85 ° C. "Tal nivel de estabilidad ya ha cumplido con el estándar de comercialización establecido por la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), "dijo el Dr. Zhu.
"Este es un resultado muy significativo que demostró que nuestro método MOF es técnicamente factible y tiene el potencial para comercializar la tecnología PVSC, "añadió la profesora Jen.
PVSC de alta eficiencia para aplicaciones de energía limpia
El equipo tardó casi dos años en realizar esta prometedora investigación. Su próximo paso será mejorar aún más la eficiencia de conversión de energía y explorar formas de reducir el costo de producción.
"Esperamos que en el futuro la fabricación de este tipo de PVSC sea como 'imprimir' periódicos y escalar fácilmente la producción, Facilitar el despliegue a gran escala de PVSC altamente eficientes para aplicaciones de energía limpia. "concluyó la profesora Jen.
