Además de la eficiencia, la estabilidad ha sido una preocupación constante para las células fotovoltaicas de perovskita y sus aplicaciones prácticas. Hasta la fecha, estos materiales estables para la energía fotovoltaica y los datos sobre ellos son insuficientes, por lo que los investigadores están probando diferentes materiales para obtener una mejor comprensión. En este estudio, se están probando las células solares de perovskita Dion-Jacobson ultraestables y eficientes para aplicaciones fotovoltaicas.
El equipo ha diseñado con éxito células solares recubiertas mediante la técnica de cuchilla con tecnología escalable para perovskitas de Dion-Jacobson (DJ), que demostraron una eficiencia de conversión de energía de alrededor del 19.11 % en diferentes condiciones ambientales.
Objetivo del estudio : Realizar una investigación sistemática sobre los factores clave de estabilidad en los materiales DJ. Establecer las pautas para el diseño de perovskitas DJ estables para células solares escalables, estabilizadas y eficientes.
Rendimiento de las células solares de perovskita de Dion-Jacobson ultraestables y eficientes
Las perovskitas bidimensionales (2D) se han preferido a las tridimensionales (3D) debido a sus deseables propiedades fotofísicas y estructurales inherentes. La perovskita tipo DJ, con cationes de diamonio ditópicos, fortalece la conexión entre las capas inorgánicas e incrementa la rigidez de la estructura, lo que mejora aún más su estabilidad. Diversos estudios sobre las perovskitas de Ruddlesden-Popper (RP) y Dion-Jacobson (DJ) muestran que esta última es menos estable en el ambiente atmosférico.
Por ejemplo , se observó una escasa estabilidad a la humedad en pocas horas en las perovskitas DJ basadas en 1,4-fenilendiaminamonio y m-fenilendiaminamonio.
Según el análisis estructural, estos materiales poseen una configuración cuántica y de pozo de desplazamiento entre capas única , lo que los distingue de otras perovskitas DJ. Esto se traduce en un menor espaciado entre capas y una optimización del transporte de carga y la integridad estructural en el espacio interlaminar.
Para los cationes interlaminares, el uso de cationes orgánicos cicloalquílicos preserva la electronegatividad y la flexibilidad de las moléculas. También presenta ventajas sobre los cationes orgánicos de cadena alquílica y arílica . Con este método, la tensión reticular se minimiza eficazmente, lo que en última instancia conduce a una mayor estabilidad estructural.
Destacados
- Introducción de una nueva serie de DJ (CDMA 1, 4-ciclohexanodimetanamonio, n≥1) (MA)n-1Pbn3n+1 para células solares estables y eficientes.
- Estas células no encapsuladas conservaron el 92% de su eficiencia durante más de 4000 horas en condiciones de envejecimiento con una humedad relativa (HR) de aproximadamente el 90%.
- Estas celdas muestran estabilidad operativa y térmica a 85°C.
- No se pierde eficiencia después de 5000 horas de tratamiento.
- Sin pérdida de eficiencia después de operar a un punto de máxima potencia (MPPT) de 45 °C durante más de 6000 horas bajo luz continua (100 mW cm-2).
El proceso de la investigación
Se empleó una técnica escalable de deposición de recubrimiento de álabes para demostrar el potencial de las perovskitas DJ en celdas solares a gran escala. Las celdas solares de referencia utilizaron la perovskita DJ PDMA nominal n=5. Estas son conocidas por mejorar la estabilidad del dispositivo y presentan configuraciones moleculares orgánicas similares.
| Propiedades de las células | Dispositivo de referencia | Dispositivo nominal n = 5 células solares de perovskita basadas en CDMA |
| PCE | 14.87% | 19.11% |
| Voltaje de circuito abierto (VOC) | 1.06 voltios | 1.16 voltios |
| Densidad de corriente de cortocircuito (JSC) | 18.32 mA cm−2 | 20.41 mA cm−2 |
| Factor de llenado | 76.46% | 80.56% |
Según los investigadores, la mayor eficiencia para el recubrimiento de perovskitas 2D mediante cuchilla es la PCE de CDMA . La siguiente figura muestra las curvas de densidad de corriente-voltaje (JV) de las células solares DJ.
Eficiencia Cuántica Externa (EQE)
Los investigadores midieron la densidad de corriente de cortocircuito (JSC) del dispositivo con EQE. El dispositivo PDMA tiene un EQE menor que el CDMA. En la región de absorción de luz visible, la JSC del PDMA fue de 17.57 mA cm⁻² y la del CDMA de 19.58 mA cm⁻² . Estos valores coincidieron con la JSC medida bajo el estimulador solar.
Estabilidad de las células solares en diferentes condiciones
Además, los investigadores estudiaron la estabilidad de estas células bajo el calor, la luz y la humedad.
Estrés ligero
Su estabilidad operativa se verificó en una caja de guantes con atmósfera de nitrógeno mediante seguimiento MPPT bajo un LED (diodo emisor de luz) blanco simulado de un sol. La prueba se realizó a aproximadamente 1 °C durante más de 45 horas, sin mostrar tendencia a la baja.
- PDMA – El PCE se redujo en aproximadamente un 30%.
- CDMA – Ligera fluctuación en torno a su eficiencia inicial.
PROCESADOR
La estabilidad térmica de las células solares se comprobó en una placa calefactora a 85°C.
- PDMA – Disminución del 50% en la eficiencia inicial.
- CDMA – Eficiencia insignificante incluso después de 5000 horas.
Esto verifica la tolerancia térmica superior de las células de perovskita CDMA.
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Las células solares no encapsuladas se almacenaron en una cámara con una humedad relativa de temperatura constante, alrededor del 90 % de humedad relativa, a 22 °C. Esto provoca los siguientes efectos en ambos dispositivos.
- PDMA – Disminución rápida del PCE a cero después de 500 horas de envejecimiento.
- CDMA – Muestra alrededor del 92% de eficiencia inicial después de 4394 horas de envejecimiento.
Al comparar los dispositivos antiguos, observamos que la capa activa de los dispositivos basados en PDMA se ha vuelto incolora, mientras que el dispositivo basado en CDMA no muestra decoloración visible. Esto confirma que las perovskitas CDMA DJ tienen una alta tolerancia a la humedad. Según la imagen consolidada a continuación, la serie CDMA es la mejor entre las células solares de perovskita 2D y 3D, según los investigadores.
Características del dispositivo
Caracterización del dispositivo
La siguiente figura muestra la distribución estadística del factor de histéresis calculado. Este se midió a partir del PCE de celdas solares PDMA y CDMA. Esto indica una histéresis distribuida relativamente baja y estable en CDMA, lo que podría favorecer la producción de celdas solares estables y escalables para aplicaciones prácticas.
Caracterización de las películas de perovskita
Los investigadores utilizaron microscopía electrónica de barrido (SEM) de vista superior para estudiar la morfología de las películas de perovskita.
Según las observaciones, las películas de perovskita PDMA presentaban una distribución uniforme del grano . En cambio, las películas de CDMA mostraban un aumento significativo del tamaño del grano, junto con pequeñas estructuras bidimensionales que cubrían los límites de grano correspondientes. Esto posiblemente implica la autopasivación de la interfaz para garantizar la estabilidad. Además, facilita la obtención de espectros de absorción ultravioleta-visible (UV-Vis) y mediciones de difracción de rayos X (DRX) del recubrimiento aplicado mediante cuchilla.
Las películas de CDMA tienen un ancho a media altura (FWHM) relativamente menor, junto con una mayor intensidad de los picos de difracción. Esto sugiere una mejor cristalinidad y un mayor tamaño de grano, según la ecuación de Scherrer.
Según los espectros de absorción UV-Vis, ambas películas de perovskita DJ presentan distribuciones de fase 2D. Sin embargo, la CDMA presenta una alta intensidad, lo que sugiere una abundante distribución de fase 2D, lo cual beneficia su absorción de onda corta y la estabilidad de la película.
La observación mediante dispersión de rayos X de ángulo amplio con incidencia rasante (GIWAXS) muestra que el CDMA presenta puntos de Bragg relativamente intensos y discretos. Esto indica una mejor cristalización, lo que favorece el transporte de carga.
Una investigación realizada por científicos de la HKUST concluye que la eliminación de concavidades mejora la estabilidad de las películas de perovskita.
Caracterización de la deformación y la estabilidad de DJ Perovskite Films
Los investigadores seleccionaron dos profundidades para investigar la tensión residual en ambos dispositivos según la distribución de fases mostrada por la caracterización TA. En el material se observó un área superficial caracterizada por fases de tipo 3D y una alta concentración de perovskitas 2D en una región más profunda. Según la imagen a continuación, la difracción de rayos X de incidencia rasante (GIXRD) de las películas de perovskita PDMA fue relativa al plano cristalino 310.
Se observó un desplazamiento hacia la derecha en los picos de difracción al aumentar Ψ (de 0° a 45°). Esto demuestra, además, una disminución gradual en la distancia entre planos cristalinos y la presencia de una tensión de compresión en la película.
En las regiones ricas en perovskita 2D, las películas de PDMA muestran un desplazamiento hacia la izquierda seguido de un aumento en los valores de Ψ. Se observó una ligera desviación de la dirección de ajuste lineal en la tendencia de variación. Esto sugiere una distribución desigual de las fases de perovskita 2D, lo que afecta negativamente la estabilidad y el rendimiento del dispositivo. Por el contrario, en las películas de CDMA, se evidenció un desplazamiento insignificante con un aumento de Ψ en ambas regiones.
Los resultados fueron consistentes tras calcular la deformación residual mediante gráficos de Williamson-Hall. Esto sugiere que la perovskita DJ está prácticamente libre de deformación residual, lo que contribuye a su estabilidad.
Tras un mes de almacenamiento, la fase negra de la película se transformó y descompuso por completo en una fase de banda prohibida ancha. En cambio, en las películas de CDMA, tras 100 días de almacenamiento, se observó una notable estabilidad a la humedad sin picos de difracción de impurezas.
Además, se examinó la resistencia al agua de las películas midiendo los ángulos de contacto del agua en su superficie. El CDMA presenta un ángulo de contacto con el agua elevado (51°) , mientras que el PDMA muestra ángulos menores (41°) . Esto indica una alta resistencia al agua de las películas de perovskita CDMA. Las curvas dinámicas del ángulo de contacto que se muestran en la imagen inferior confirman la excelente resistencia a la saturación de agua de las películas de perovskita CDMA.
Conclusión
Como resultado, los investigadores descubrieron que la incorporación de cationes orgánicos flexibles en el desplazamiento entre capas puede mejorar la estabilidad estructural de la configuración de perovskita DJ. Con base en esto, diseñaron una serie de perovskitas DJ con desplazamiento entre capas. Posteriormente, los materiales se aplicaron al proceso de recubrimiento de las palas. Posteriormente, se logró una mayor eficiencia y estabilidad. Además, en las pruebas de envejecimiento, se observó una degradación mínima del dispositivo.
En resumen, los investigadores concluyen que la serie recientemente desarrollada tiene el potencial de construir perovskitas 2D estables que pueden utilizarse para diversas aplicaciones.
