Introducción a las células solares de perovskita
La estructura de las células solares de perovskita se ilustra en la figura siguiente. Su núcleo es un material absorbente de luz compuesto de haluros organometálicos con una estructura cristalina de perovskita (ABX₃) (la estructura de celda unitaria se muestra en la figura adjunta). En esta estructura de perovskita ABX₃,Aes el grupo metilamonio (CH₃NH₃⁺),Bes un átomo de plomo metálico, yincógnitaEs un átomo de halógeno como el cloro, el bromo o el yodo. Actualmente, el material de perovskita más común en las células solares de perovskita de alta eficiencia esyoduro de metilamonio y plomo (CH₃NH₃PbI₃)Tiene una banda prohibida de aproximadamente1,5 eVy un alto coeficiente de extinción; una película de tan solo unos cientos de nanómetros de espesor puede absorber suficientemente la luz solar de hasta 800 nm. Además, este material es fácil de preparar: se puede obtener una película uniforme mediante el recubrimiento por centrifugación de una solución que contiene PbI₂ y CH₃NH₃I a temperatura ambiente. Estas propiedades permiten que la estructura de tipo perovskita (CH₃NH₃PbI₃) no solo absorba la luz visible y parte del espectro infrarrojo cercano, sino que también genere portadores fotogenerados menos propensos a la recombinación, con mínima pérdida de energía. Esta es la razón fundamental por la que las células solares de perovskita pueden alcanzar una alta eficiencia.
Figura: Estructura cristalina del material de perovskita (usando CH₃NH₃PbI₃ como ejemplo) y diagrama esquemático de la estructura de una célula solar de perovskita..
Debido a la estructura cristalina relativamente compleja, que impone requisitos estrictos en los radios de los átomos (o grupos) en los sitios A, B y X, la composición de los materiales perovskitas que absorben la luz es relativamente fija. Recientemente, algunos grupos de investigación han reemplazado el grupo metilamonio en el sitio A por...formamidinio (FA⁺), reduciendo la banda prohibida a1,48 eVy lograr una mayor fotocorriente. Para elSitio BLa sustitución del plomo (Pb) por estaño (Sn) aún no ha dado lugar a ninguna respuesta fotoeléctrica reportada. Para elSitio XSe pueden usar átomos como cloro, bromo o yodo, pero solo las perovskitas yodadas tienen una banda prohibida adecuada para una alta eficiencia de conversión. Además de CH₃NH₃PbI₃,CH₃NH₃PbI₃₋ₓClₓTambién se ha estudiado ampliamente. Manteniendo la estructura básica del nivel energético, una pequeña cantidad de dopaje con cloro puede mejorar la movilidad electrónica, demostrando un rendimiento fotoeléctrico superior. Sin embargo, en comparación con los materiales a base de silicio, los materiales absorbentes de luz de perovskita comúnmente utilizados presentan desventajas como...rango de respuesta a la luz insuficientemente amplio, sensibilidad al agua y a algunos disolventes, y que contiene plomo, un metal pesado. Por lo tanto, encontrar materiales de perovskita conBandas prohibidas más estrechas, mejor estabilidad química y respeto al medio ambientees muy significativo
El desarrollo de células solares de película delgada de perovskita se originó a partir decélulas solares sensibilizadas con colorante (DSSC)Aprovechando las tecnologías acumuladas durante las últimas dos décadas en DSSC, células solares orgánicas y otras, las células solares de perovskita se han desarrollado rápidamente. Las primeras células solares de perovskita utilizadasCH₃NH₃PbI₃ para sensibilizar los fotoánodos de TiO₂ y un electrolito líquido I₃⁻/I⁻, logrando una eficiencia de sólo3,8%(optimizado al 6,5%). Sin embargo, debido a la inestabilidad del CH₃NH₃PbI₃ en el electrolito líquido I₃⁻/I⁻, la estabilidad de la celda era deficiente y la investigación en esta área es ahora limitada. Reemplazar el electrolito líquido I₃⁻/I⁻ por unmaterial de transporte de huecos de estado sólido (HTM)(por ejemplo, espiro-OMeTAD, P3HT) mejoraron enormemente la eficiencia celular, alcanzando16%, superando la máxima eficiencia de las células solares sensibilizadas con colorante (13%) y demostrando una buena estabilidad.
Basándonos en esto,H. Snaith y otros.reemplazó la capa de andamiaje porosa del semiconductor tipo n TiO₂ con un material aislante comoAl₂O₃ o ZrO₂y células de película delgada ensambladas utilizando materiales de transporte de huecos, logrando también una alta eficiencia (la eficiencia más alta reportada fue del 15,9%). Este resultado indica que el material de perovskita CH₃NH₃PbI₃ posee una buena capacidad de conducción electrónica. Las células solares de perovskita basadas en capas de andamiaje de material aislante han, en principio, superado el concepto tradicional de sensibilización, convirtiéndose en unacélula solar de heterojunción superestructurada mesoscópicaAdemás, al eliminar la capa de andamio aislante y utilizar una película de perovskita uniforme de alta calidad, se obtiene unacélula de heterounión planarTambién puede alcanzar una alta eficiencia (la eficiencia más alta reportada es del 15,7%). Por otro lado, incluso sin materiales de transporte de huecos, una celda de heterounión formada entre perovskita y TiO₂ poroso ha alcanzado una eficiencia del 10,5%. En esta estructura, similar a las celdas solares de puntos cuánticos coloidales, la perovskita cumple una doble función: absorción de luz y transporte de huecos. Además, utilizando material de perovskita como capa absorbente de luz en unestructura de célula solar orgánica, con el derivado de fulereno PCBM como capa de transporte de electrones y PEDOT:PSS como capa de transporte de huecos, con eficiencias superiores12%Se han logrado resultados superiores a los de las células solares orgánicas/poliméricas tradicionales. Cabe mencionar que se pueden fabricar células solares de perovskita basadas en estructuras orgánicas.Flexible y producido rollo a rollo para producción a gran escalaEn la actualidad, estas células de perovskita flexibles han alcanzado una alta eficiencia de9,2%.
Figura: Estructura de una célula solar de perovskita.
El hecho de que los materiales de perovskita puedan alcanzar eficiencias superiores10%en estas estructuras de células solares tan diferentes sugiere que, en futuras aplicaciones prácticas,Múltiples estructuras pueden coexistir y competirSimultáneamente, es crucial investigar y comprender a fondo las propiedades fundamentales de los materiales y los principios de funcionamiento de las células. Esto no solo contribuirá a mejorar el rendimiento de las células solares de perovskita, sino que también proporcionará información para desarrollar nuevas estructuras más sencillas o eficientes.
