Las células solares de perovskita (PSC) tienen aplicaciones versátiles, lo que las convierte en un dispositivo prometedor para la vida diaria. En este estudio, los investigadores optimizaron las células solares de perovskita bifaciales basadas en ETL para dispositivos flexibles mediante simulación. El proceso se realiza seleccionando el electrodo transparente frontal (FTE), la capa de transporte de huecos (HTL) y el electrodo transparente posterior (RTE) adecuados.
Células solares de perovskita bifaciales basadas en ETL para dispositivos flexibles
Se observó una mejora significativa en la eficiencia de conversión de potencia (PCE) del dispositivo de celda de perovskita . Esto fue posible gracias a una estructura tipo pozo con una pequeña diferencia en la banda de conducción (CBO) en la interfaz FTE/perovskita. Sin embargo, se observó una disminución del rendimiento con un desplazamiento ascendente en la banda de valencia de la capa de transporte de huecos (HTL).
Destacados
- Optimizar la perovskita bifacial libre de ETL para dispositivos flexibles.
- Un CBO mínimo en la interfaz de perovskita puede mejorar el rendimiento del dispositivo.
- La banda prohibida y la afinidad electrónica del RTE afectan en gran medida el rendimiento del dispositivo.
- 1.4 eV de perovskita es el optimizado.
- Para ambas condiciones de iluminación, el dispositivo muestra PCE >27%.
La eficiencia de conversión de potencia (PCE) de las células solares de perovskita ha aumentado del 3.8 % al 26.1 % en una década . Por lo tanto, las células solares de perovskita de haluro metálico orgánico-inorgánico han captado mucha atención últimamente.
Sin embargo, el desarrollo de células solares de perovskita flexibles se ve retrasado por la alta temperatura de sinterización de la capa de transporte de electrones (ETL). En las células solares de perovskita invertidas, los investigadores utilizaron principalmente éster metílico del ácido [6,6]-fenil-C61-butírico (PCBM) como ETL para lograr una alta eficiencia. Dado que el PCBM es costoso, su incorporación al dispositivo incrementa el costo total del mismo.
Posteriormente, los investigadores probaron células solares de perovskita sin capa de transporte de electrones (ETL), que son los dispositivos más prometedores y aceptables. Este enfoque tiene una configuración sencilla y elimina la necesidad de una preparación compleja, lo que reduce el tiempo y la energía necesarios.
Dato curioso : Liu et al. desarrollaron el primer PCE con un 13.5 %.
Las celdas PCE actuales tienen una eficiencia del 20-22% pero aún están rezagadas debido a la tasa de transferencia de carga desequilibrada.
Motivo : Falta de un campo permanente integrado cuando no hay ETL.
Considerando diferentes enfoques
Los investigadores consideraron el uso de concentradores, materiales fotovoltaicos con dos o más bandas prohibidas distintas en disposición en tándem y un enfoque bifacial. Todo esto busca mejorar el rendimiento del dispositivo y fomentar la adopción generalizada de la tecnología. Dado que el diseño bifacial es simple y económico, aumenta la eficiencia de conversión de energía a un costo ligeramente mayor al agregar un electrodo transparente trasero.
Mediante la instalación de electrodos transparentes, la luz puede entrar al sistema desde ambos extremos. De esta forma, los paneles solares bifaciales pueden alcanzar una eficiencia de conversión de potencia (PCE) superior en más del 30 % en comparación con los paneles monofaciales. Sin embargo, existen diversos factores que influyen en este rendimiento, como el ángulo de inclinación, la reflectividad de la superficie del suelo y la altura sobre el suelo, entre otros. Además, la combinación de las ventajas de las tecnologías de células solares bifaciales y flexibles permite obtener dispositivos de captación de energía solar eficientes y versátiles.
Aplicaciones de células solares de perovskita bifaciales flexibles sin ETL :
- Sombra plegable en las tiendas
- cubiertas de ventanas plegables
- En las velas
- O una sombrilla en la playa
Es posible procesar PSC flexibles mediante el método de rol a rol y encapsularlas con capas flexibles de bajo costo. Si bien las PSC bifaciales flexibles son una tecnología nueva, aún en investigación y desarrollo, han logrado avances notables.
En una iniciativa, el NREL desarrolla palas para turbinas eólicas a partir de resina reciclable.
Gracias a la simulación, los investigadores lograron fácilmente los parámetros o propiedades deseados del electrodo transparente trasero (RTE). Esto les permitió alcanzar el rendimiento óptimo del dispositivo. En la presente simulación, los investigadores copiaron un bifacial sin ETL según el siguiente diagrama.
Al observar células solares flexibles con diferentes electrodos, capas de defectos interfaciales y capas de transporte de huecos, los investigadores descubrieron la alineación de bandas y las posibles barreras para mejorar el rendimiento general. Además, lograron una eficiencia superior al 27 % en diferentes condiciones optimizando la banda prohibida del absorbedor de perovskita a 1.4 eV.
Estructura del dispositivo y parámetros de simulación Perovskita basada en ETL
- Los investigadores utilizaron el paquete Simulador de Capacitancia de Células Solares unidimensional (SCAPS-1D) para simular el dispositivo propuesto.
- Además, para diseñar un dispositivo bifacial a partir de uno validado, se reemplazó el Au por una capa compuesta de electrodo transparente Cu/Cu2O.
- Se utilizó FTO pasivado (PFTO) para trabajar como FTE.
Resultados y discusión
Efectos del electrodo transparente frontal (FTE)
En las células solares de perovskita sin capa de transporte de electrones (ETL), el electrodo transparente de transporte de electrones (FTE) debe diseñarse con alta transparencia y una alineación de bandas mejorada para un transporte de carga eficiente. Los investigadores han estudiado diversos FTE, como el óxido de indio dopado con circonio (Zr:In2O3), el ITO, el óxido de zinc dopado con aluminio (Al:ZnO) y el óxido de titanio pasivado/modificado (PFTO). A bajas temperaturas, fue fácil depositar estos electrodos sobre un sustrato flexible.
Del siguiente diagrama de bandas, se desprende que el CBO en la interfaz FTE, cercana a 0, generó un PCE más alto. La dirección del campo eléctrico en ITO es opuesta a la de la interfaz HTL, lo cual no es adecuado para un transporte eficiente de carga.
Esto se considera la barrera potencial para el flujo de electrones hacia los FTE. Un dispositivo con un valor de CBO menor muestra una menor recombinación en la interfaz del FTE, según el perfil de recombinación. Se observa un aumento en la afinidad electrónica del FTE con un cambio negativo en el CBO en la interfaz del FTE. Esto se debe a la diferencia en la afinidad electrónica entre capas adyacentes.
A medida que aumenta el grosor de las capas FTE, el PCE del dispositivo disminuye al iluminarse desde el lado FTO. Sin embargo, no se observaron cambios significativos en la iluminación trasera.
Efecto de la capa de transporte de huecos (HTL)
Para este estudio, se utilizaron diferentes HTL como DM, Cul, Cu₂O y CuSCN en el dispositivo de referencia de rendimiento. El siguiente diagrama de bandas de energía muestra la alineación de bandas modificada en las interfaces de perovskita o HTL y HTL/RTE. Al iluminarse desde atrás, la recombinación en los dispositivos de Cul y CuSCN muestra los mismos perfiles de recombinación SRH. Existe una mayor probabilidad de recombinación directa con niveles de valencia más altos en la capa adyacente.
Efecto de las capas de defectos interfaciales
Durante el recocido térmico, se evidencian los defectos de la interfaz. Estos defectos se ven favorecidos si la interfaz carece de vacantes de oxígeno, presenta desajustes de red y una composición estequiométrica deficiente. El estudio describe tres tipos de interfaces defectuosas, que se mencionan a continuación :
- Electrodo posterior/HTL: Causado por la reacción del electrodo posterior con HTL en presencia de oxígeno.
- TCO/perovskita: Un defecto en esta interfaz provoca una vacancia de oxígeno.
- Perovskita/HTL: Cualquier defecto en este material provoca un desajuste en la red.
- Para una densidad de defectos inferior a 10^16 cm−3, el PCE del dispositivo se mantiene constante. Esto demuestra una menor tasa de recombinación en la capa de interfaz.
- Con una concentración superior a 10^16 cm−3 se produce un aumento en la tasa de recombinación, lo que reduce la eficiencia del dispositivo.
- De forma similar, al aumentar el espesor de la capa de defecto de la interfaz, se observa una disminución lineal del PCE del dispositivo. Esto conlleva un aumento de la tasa de recombinación en la región IDL.
Este fenómeno respalda la necesidad de reducir el defecto en la interfaz PFTO/perovskita mediante pasivación o cualquier otro método de procesamiento adecuado. Generalmente, se prefiere la pasivación superficial para modificar la morfología de la superficie.
Efecto del electrodo transparente trasero (RTE)
Este electrodo desempeña un papel fundamental en la determinación del rendimiento general de las células solares de perovskita bifaciales. Dos factores principales que afectan al rendimiento de estas células son la afinidad electrónica y la banda prohibida. Las células solares de perovskita bifaciales presentan una eficiencia de conversión de potencia (PCE) menor que sus contrapartes monofaciales, lo que repercute significativamente en el electrodo de transición de fase (RTE). Se observa un cambio de negativo a positivo en la banda de valencia (VBO) en la interfaz HTL/RTE al aumentar el valor de la banda prohibida del RTE.
Para ambas condiciones de iluminación, el dispositivo muestra una eficiencia de conversión de potencia (PCE) máxima con un VBO de +0.29 eV (banda prohibida de aproximadamente 2.4 eV). Cuando la afinidad electrónica es de 3.3 eV para ambos tipos de iluminación, con un VBO de +0.13 eV en HTL/RTE, el rendimiento del dispositivo mejora.
Con un aumento de la afinidad electrónica del RTE, el VBO entre HTL/RTE se desplaza hacia positivo. El estudio muestra que el dispositivo basado en NAN presenta un mayor PCE para la iluminación trasera. Esto indica una menor intensidad del campo eléctrico en dirección negativa en los dispositivos basados en NAN en la interfaz HTL/RTE. Además, el PCE del dispositivo aumenta con el aumento de la función de trabajo y se satura para funciones de trabajo grandes.
En otra investigación, PeroNova presentó un módulo solar tándem de silicio perovskita con una eficiencia del 28%.
Optimización de la capa de perovskita
Como se mencionó anteriormente, hemos simulado diferentes combinaciones de dispositivos utilizando diferentes FTE, HTL y RTE. La generación de portadores de carga disminuye al aumentar la capa absorbente de perovskita. En cambio, el VOC aumenta al aumentar el potencial incorporado de la capa absorbente. El dispositivo PCE alcanza una banda prohibida optimizada de 1.4 eV, y los demás son los siguientes:
- Iluminación frontal PCE 24.65%
- Iluminación trasera PCE 25.48%
La densidad de defectos de la capa absorbente de perovskita se redujo de 8.0 × 10^14 cm−3 a 1.0 × 10^14 cm−3 . Esto conlleva un aumento de la eficiencia de conversión de potencia (PCE) del dispositivo al 26.27 % y al 26.45 % para la iluminación frontal y trasera, respectivamente.
Además, tras optimizar el espesor de la capa absorbente a 800 nm y luego disminuir la densidad de defectos a 1.0 × 10¹⁴ cm⁻³ , se incrementa la eficiencia de conversión de potencia (PCE) del dispositivo al 26.88 % (iluminación frontal) y al 27.35 % (iluminación trasera).
Conclusiones
Por lo tanto, los investigadores concluyen que se utiliza un paquete de simulación para optimizar las PSC bifaciales sin ETL. Al estudiar el impacto de diferentes materiales en el rendimiento del dispositivo, se observó que ciertos materiales lo mejoraron gracias a sus propiedades específicas. Además, la banda prohibida, la densidad de defectos y el espesor son determinantes importantes de la capa absorbente de perovskita. De esta manera, se logró una eficiencia de conversión de energía superior al 27 % con una configuración optimizada para la iluminación trasera y frontal.
