¿Por qué las células solares de perovskita tienden a segregarse cuando se exponen a la luz?

Las células solares hechas de perovskita son baratas, fáciles de fabricar y casi tan eficientes como el silicio, un material utilizado tradicionalmente en las células solares. Sin embargo, las células de perovskita tienen una relación de amor y odio con el sol. En algunos casos, la luz que necesitan para generar electricidad degrada la calidad de las células y, por tanto, limita gravemente su rendimiento y estabilidad a lo largo del tiempo. Los científicos de la Universidad Tecnológica de Eindhoven han desarrollado una teoría que explica por qué las células complejas de perovskita son inestables a la luz del sol. El estudio fue publicado en Comunicaciones de la naturaleza.

La perovskita es una alternativa atractiva al silicio para las células solares porque es abundante y fácil de fabricar. Además, la eficiencia de las células solares de perovskita ha mejorado significativamente durante la última década, con tasas de eficiencia que superan el 25%, lo que se acerca al estado de la técnica para las células solares de silicio.

Los paneles solares de perovskita generalmente están hechos de compuestos de haluro que combinan materiales orgánicos como metilamonio o formamidinio con metal (generalmente plomo o estaño) y haluros como bromuro o yoduro. Una nueva investigación se centra en cinco compuestos de haluro populares que tienen bromuro y yoduro en uno.

Esta combinación funciona especialmente bien ya que le permite “afinar” banda prohibidao la cantidad mínima de energía fotónica necesaria para generar electricidad en un material. Es especialmente útil en los llamados Tándem células solares donde la perovskita está unida al silicio y que requiere un perfecto “ajuste fino” de los distintos huecos de banda para asegurar un rendimiento óptimo.

Resolviendo el misterio de la segregación

Sin embargo hay un problema. Mientras que la luz del sol suministra las células de perovskita energía de fotones tienen que producir electricidad, lo que también los vuelve inestables. Con el tiempo, esto afecta su desempeño. Si bien esta relación de amor-odio entre las perovskitas y el sol es bien conocida en la técnica, apenas se comprende.

“Para ver qué sucede, es necesario observar lo que sucede a nivel atómico cuando la luz entra en una célula solar”, dijo Peter Bobbert, profesor de Física Aplicada y coautor del artículo. “Los fotoportadores (electrones y huecos) que están formados por los fotones entrantes tienden a acumularse donde la banda prohibida es más baja, en este caso regiones ricas en yoduro que se forman espontáneamente en un compuesto”.

Siempre que haya suficiente luz, se desencadena una reacción en cadena en la que se acumula cada vez más yoduro en las regiones ricas en yodo y se expulsa más y más bromuro. La subsecuente segregación del compuesto tiende a atrapar los fotoportadores que producen electricidad en estas regiones de bajo espacio, degradando gravemente la eficiencia de la célula.

Energía gratis

Los investigadores, que colaboran en el Centro de Investigación de Energía Computacional, e incluyen a Zehua Chen, Geert Brocks y Shuxia Tao además de Peter Bobbert, han desarrollado un modelo teórico que puede explicar por qué está sucediendo esto. “Nuestra teoría unificada para la segregación de haluros inducida por la luz se analizan juntos Energía gratis con perovskita en las células fotovoltaicas, tanto en la oscuridad como cuando la célula está expuesta a la luz solar ”, explica Bobbert.

“Los fotoportadores emocionados tienden a viajar a áreas donde su energía libre es más baja, en este caso a áreas con la brecha de energía más baja. Al analizar este proceso, pudimos distinguir regiones estables, metaestables e inestables para cada compuesto, dependiendo de la temperatura, la iluminación y la concentración de bromuro. “

Soluciones

Lo hermoso de esta teoría es que revela un camino viable hacia posibles soluciones al problema de la segregación en las relaciones. La solución más obvia es limitar la cantidad de luz que llega a la celda, pero esto tendría un impacto negativo en el rendimiento. Una forma más prometedora es cambiar la cantidad de bromuro en el compuesto.

“A partir de nuestros cálculos, puede predecir con precisión la cantidad de bromuro que se puede agregar a un compuesto para aumentar su banda prohibida sin hacer que el compuesto sea inestable”, dice Bobbert. “Al no agregar demasiado bromuro, se puede evitar la segregación y al mismo tiempo lograr una brecha de energía bastante grande que funciona con tándems. células“.

El artículo da un ejemplo de una celda hecha de un compuesto de cesio y plomo, que es estable hasta el 42% de la concentración de bromuro (en condiciones normales de temperatura y luz solar). Esto debería garantizar una banda prohibida máxima de 1,94 eV, más que suficiente para la capa superior en una célula solar en tándem eficiente.

Otras soluciones

Según los investigadores, la teoría es altamente flexible, lo que la hace aplicable a otros materiales semiconductores donde la banda prohibida se sintoniza mediante la aleación con materiales adicionales, y a casos que aún no se han abordado, como cambios en la brecha causada. por deformación. .