30 de noviembre de 2023 (Proyector Nanowerk) El silicio ha sido el campeón indiscutible de los materiales para células solares, con versiones de laboratorio capaces ahora de convertir más del 29% de la luz solar en electricidad. Pero una nueva tecnología basada en haluros metálicos perovskitas se está poniendo al día rápidamente. Los avances en el rendimiento durante la última década han llevado las células solares de perovskita a una eficiencia superior al 25% en el laboratorio, acercándose a los límites prácticos del silicio. Ahora, investigadores de la Universidad Nacional de Chonnam de Corea del Sur han informado que las células solares en tándem híbridas de perovskita-orgánica con una eficiencia del 23.07% se procesaron completamente al aire libre, lo que acerca la tecnología un gran paso a la viabilidad económica. Sus hallazgos han sido publicados en Ciencias energéticas y medioambientales (“Perovskitas de haluros totalmente inorgánicos para células solares en tándem híbridas orgánicas/perovskitas monolíticas “nip” procesadas con aire que superan el 23 % de eficiencia”). Desde 2012, las perovskitas de haluro de plomo han surgido de la oscuridad para lograr notables mejoras de rendimiento no vistas desde los primeros días de la investigación solar. Sin embargo, comercializar la nueva tecnología sigue siendo un objetivo difícil de alcanzar. Las perovskitas se degradan rápidamente cuando se exponen al calor, la humedad y la luz. La fabricación de paneles solares requiere estabilizar los compuestos notoriamente inestables. Los investigadores se han basado en gran medida en diseñar meticulosamente la propia estructura cristalina de perovskita para lograr una mayor resiliencia. Pero estos delicados pasos de manipulación añaden costos y complejidad que no son adecuados para la producción en masa. "Recientemente, la atención se ha desplazado hacia las células solares procesadas con soluciones integrales debido a sus procesos de fabricación de bajo consumo de energía", dijo el primer autor, el Dr. Sawanta Mali. La innovación del equipo, una técnica dinámica de deposición de aire caliente, simplificó el proceso de producción al eliminar la necesidad de ambientes con humedad controlada. "Nuestro enfoque demuestra que los absorbentes procesados en solución con pasivación de cationes orgánicos reducen la pérdida de COV hasta 0.025 V, que es la más baja registrada hasta la fecha", explica Sawanta a Nanowerk. "Hemos utilizado subcélulas frontales 'n-p' totalmente procesadas con aire en este proceso, lo que ha llevado a un enfoque simplificado hacia la comercialización con alta reproducibilidad".
Diseño de la configuración normal modificada de "nip" para dispositivos monolíticos de células solares en tándem híbridas 2T que normalmente no requieren procesos complicados como la deposición de capas atómicas (ALD) y/o una capa de interconexión pulverizada (ICL) y C evaporado térmicamente60 Curvas ETL J-V de células solares híbridas en tándem campeonas basadas en configuraciones modificadas en diferentes modos de escaneo. (Haga clic en la imagen para ampliarla (Imagen cortesía de los investigadores) El Dr. Sawanta y sus colegas fabricaron tanto la célula solar frontal de perovskita de banda prohibida ancha como la capa trasera de células solares orgánicas de banda prohibida estrecha al aire libre utilizando una técnica que llaman deposición dinámica de aire caliente. Utilizaron una pistola de calor para cristalizar sales de haluro metálico hiladas sobre el sustrato directamente desde la solución, evitando baños antisolventes problemáticos. Los investigadores también emplearon tratamientos químicos novedosos para pasivar la superficie de cada capa para un transporte de carga efectivo. "Obtuvo una resistencia a la humedad muy mejorada en comparación con las perovskitas híbridas de plomo estándar con componentes orgánicos volátiles. Esta mejora en la resistencia a la humedad marca un avance significativo con respecto a las perovskitas híbridas de plomo estándar, que contienen componentes orgánicos volátiles y son menos estables. El dopaje con rubidio metálico estabilizó aún más la estructura cristalina de la perovskita. El método de síntesis a base de agua y procesamiento ambiental también eliminó la necesidad de costosos equipos especializados. “Es bien sabido que la subcélula frontal de perovskita tiene un absorbente relativamente fuerte de luz visible, con un máximo cercano a ~450 nm, y presenta un EQE muy alto en todo el rango visible que compensa la deficiencia del EQE relativamente bajo de los BHJ. ”, señala Sawanta sobre el diseño de células solares en tándem. La capa de perovskita captura fotones visibles de mayor energía, mientras que la celda de heterounión masiva de polímero absorbe infrarrojos de menor energía.
De izquierda a derecha, el Prof. Chang Kook Hong, el Dr. Sawanta S. Mali y el Dr. Jyoti V. Patil muestran las células solares híbridas en tándem de base totalmente inorgánica fabricadas en el Laboratorio de Materiales Energéticos Polímeros de la Universidad Nacional de Chonnam, Corea del Sur, que cruzan el 23%. eficiencia. El recuadro superior derecho muestra una fotografía de una célula solar híbrida en tándem fabricada (Imagen: DaeWoon Park). Los dispositivos optimizados combinaron una célula frontal de perovskita de haluro de plomo y cesio dopada con rubidio de 1.87 eV con una célula trasera de polímero ternario. Esta arquitectura en tándem pancromática alcanzó una eficiencia máxima de conversión de luz solar a electricidad del 23.07%. La tensión de circuito abierto de 2.11 V supera claramente los 1.14 V típicos de las células de silicio comerciales. Igual de importante es que las células conservaron más del 90% del rendimiento máximo después de 600 horas de irradiación solar simulada continua. Por el contrario, una celda de control de perovskita no pasivada cayó por debajo de la mitad de su eficiencia en 50 horas. “También descubrimos que el dispositivo de control es más estable a 65 °C y 85 °C de tensión térmica que a temperatura ambiente. Es probable que esto se deba a una reducción en la vía de desintegración de fase inducida por la humedad a temperaturas elevadas, a medida que las moléculas de agua se desorben de la superficie”, explica Mali. Una mayor encapsulación para protección contra la humedad permitió una longevidad operativa aún mejor. El método de fabricación ambiental simplificado también se tradujo de 0.09 cm2 Escala de laboratorio con una eficiencia superior al 21.82% para un práctico 1 cm.2 tamaño de la celda. "Nuestros hallazgos sugieren que implementar el método de aire caliente para subcélulas frontales de perovskita totalmente inorgánicas y subcélulas traseras basadas en mezclas ternarias de OPV con 'n-p' es una solución viable", concluye Mali. El equipo confía en acercarse al límite práctico de eficiencia del 29.1% para la arquitectura de células solares en tándem con un mayor desarrollo. La eficiencia y estabilidad excepcionales de las células en tándem orgánicas de perovskita procesadas a temperatura ambiente encaminan la tecnología para lograr los costos de fabricación ultrabajos necesarios para la adopción generalizada de la energía fotovoltaica.
Diseño de la configuración normal modificada de "nip" para dispositivos monolíticos de células solares en tándem híbridas 2T que normalmente no requieren procesos complicados como la deposición de capas atómicas (ALD) y/o una capa de interconexión pulverizada (ICL) y C evaporado térmicamente60 Curvas ETL J-V de células solares híbridas en tándem campeonas basadas en configuraciones modificadas en diferentes modos de escaneo. (Haga clic en la imagen para ampliarla (Imagen cortesía de los investigadores) El Dr. Sawanta y sus colegas fabricaron tanto la célula solar frontal de perovskita de banda prohibida ancha como la capa trasera de células solares orgánicas de banda prohibida estrecha al aire libre utilizando una técnica que llaman deposición dinámica de aire caliente. Utilizaron una pistola de calor para cristalizar sales de haluro metálico hiladas sobre el sustrato directamente desde la solución, evitando baños antisolventes problemáticos. Los investigadores también emplearon tratamientos químicos novedosos para pasivar la superficie de cada capa para un transporte de carga efectivo. "Obtuvo una resistencia a la humedad muy mejorada en comparación con las perovskitas híbridas de plomo estándar con componentes orgánicos volátiles. Esta mejora en la resistencia a la humedad marca un avance significativo con respecto a las perovskitas híbridas de plomo estándar, que contienen componentes orgánicos volátiles y son menos estables. El dopaje con rubidio metálico estabilizó aún más la estructura cristalina de la perovskita. El método de síntesis a base de agua y procesamiento ambiental también eliminó la necesidad de costosos equipos especializados. “Es bien sabido que la subcélula frontal de perovskita tiene un absorbente relativamente fuerte de luz visible, con un máximo cercano a ~450 nm, y presenta un EQE muy alto en todo el rango visible que compensa la deficiencia del EQE relativamente bajo de los BHJ. ”, señala Sawanta sobre el diseño de células solares en tándem. La capa de perovskita captura fotones visibles de mayor energía, mientras que la celda de heterounión masiva de polímero absorbe infrarrojos de menor energía.
De izquierda a derecha, el Prof. Chang Kook Hong, el Dr. Sawanta S. Mali y el Dr. Jyoti V. Patil muestran las células solares híbridas en tándem de base totalmente inorgánica fabricadas en el Laboratorio de Materiales Energéticos Polímeros de la Universidad Nacional de Chonnam, Corea del Sur, que cruzan el 23%. eficiencia. El recuadro superior derecho muestra una fotografía de una célula solar híbrida en tándem fabricada (Imagen: DaeWoon Park). Los dispositivos optimizados combinaron una célula frontal de perovskita de haluro de plomo y cesio dopada con rubidio de 1.87 eV con una célula trasera de polímero ternario. Esta arquitectura en tándem pancromática alcanzó una eficiencia máxima de conversión de luz solar a electricidad del 23.07%. La tensión de circuito abierto de 2.11 V supera claramente los 1.14 V típicos de las células de silicio comerciales. Igual de importante es que las células conservaron más del 90% del rendimiento máximo después de 600 horas de irradiación solar simulada continua. Por el contrario, una celda de control de perovskita no pasivada cayó por debajo de la mitad de su eficiencia en 50 horas. “También descubrimos que el dispositivo de control es más estable a 65 °C y 85 °C de tensión térmica que a temperatura ambiente. Es probable que esto se deba a una reducción en la vía de desintegración de fase inducida por la humedad a temperaturas elevadas, a medida que las moléculas de agua se desorben de la superficie”, explica Mali. Una mayor encapsulación para protección contra la humedad permitió una longevidad operativa aún mejor. El método de fabricación ambiental simplificado también se tradujo de 0.09 cm2 Escala de laboratorio con una eficiencia superior al 21.82% para un práctico 1 cm.2 tamaño de la celda. "Nuestros hallazgos sugieren que implementar el método de aire caliente para subcélulas frontales de perovskita totalmente inorgánicas y subcélulas traseras basadas en mezclas ternarias de OPV con 'n-p' es una solución viable", concluye Mali. El equipo confía en acercarse al límite práctico de eficiencia del 29.1% para la arquitectura de células solares en tándem con un mayor desarrollo. La eficiencia y estabilidad excepcionales de las células en tándem orgánicas de perovskita procesadas a temperatura ambiente encaminan la tecnología para lograr los costos de fabricación ultrabajos necesarios para la adopción generalizada de la energía fotovoltaica.
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry:
Nano-sociedad: empujando los límites de la tecnología,
Nanotecnología: el futuro es pequeñoy
Nanoingeniería: las habilidades y herramientas que hacen que la tecnología sea invisible
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