Células solares en tándem de perovskita / silicio en el umbral mágico del 30% de eficiencia

La estructura esquemática de la pila de células solares en tándem en 3D. Crédito: Eike Koehnen / HZB

La célula solar en tándem, récord mundial actual, proporcionó un rendimiento estable durante 300 horas, incluso sin encapsulación.

Un equipo de HZB ha publicado un informe en la revista Science sobre el desarrollo de su récord mundial actual de eficiencia del 29,15% para una célula solar en tándem hecha de perovskita y silicio. La celda en tándem proporcionó un rendimiento estable durante 300 horas, incluso sin encapsulación. Para lograrlo, el grupo encabezado por el Prof. Steve Albrecht investigó los procesos físicos en las interfaces para mejorar el transporte de los portadores de carga.

Las células solares que constan de dos semiconductores con diferentes intervalos de banda pueden lograr eficiencias considerablemente más altas cuando se utilizan en tándem en comparación con las células individuales por sí mismas. Esto se debe a que las células en tándem utilizan el espectro solar de manera más eficiente. En particular, las células solares de silicio convencionales convierten principalmente los componentes infrarrojos de la luz de manera eficiente en energía eléctrica, mientras que ciertos compuestos de perovskita pueden utilizar eficazmente los componentes visibles de la luz solar, lo que la convierte en una combinación poderosa.

Nuevo récord 29,15%

A principios de 2020, un equipo encabezado por el Prof. Steve Albrecht en el HZB rompió el récord mundial anterior de células solares en tándem hechas de perovskita y silicio (28,0%, Oxford PV), estableciendo un nuevo récord mundial del 29,15%. En comparación con la eficiencia más alta certificada y publicada científicamente (26,2% en DOI: 10,1126 / science.aba3433), este es un gran paso adelante. El nuevo valor ha sido certificado en Fraunhofer ISE y figura en la tabla NREL. Ahora, los resultados se han publicado en la revista. Ciencias con una explicación detallada del proceso de fabricación y la física subyacente.

Rendimiento constante durante 300 horas

“La eficiencia del 29,15% no solo es el récord para esta tecnología, sino que se encuentra en la parte superior de toda la categoría fotovoltaica emergente en la tabla NREL”, dice Eike Köhnen, estudiante de doctorado en el equipo de Albrecht y primer autor compartido del estudio. Además, la nueva celda en tándem de perovskita / silicio se caracteriza por un rendimiento constante durante más de 300 horas bajo exposición continua al aire y luz solar simulada sin estar protegida por encapsulación. El equipo utilizó una composición compleja de perovskita con una banda prohibida de 1,68 eV y se centró en optimizar la interfaz del sustrato.

Útil: Monocapa autoensamblado

Con socios de Lituania (el grupo del Prof. Vytautas Getautis) desarrollaron una capa intermedia de moléculas orgánicas que se organizan de forma autónoma en una monocapa autoensamblada (SAM). Consistía en una nueva molécula basada en carbazol con sustitución de grupo metilo (Me-4PACz). Este SAM se aplicó al electrodo y facilitó el flujo de los portadores de carga eléctrica. “Primero preparamos la cama perfecta, por así decirlo, sobre la que se acuesta la perovskita”, dice Amran Al-Ashouri, quien también es miembro del equipo de Albrecht y primer autor del estudio.

Factor de llenado optimizado

Luego, los investigadores utilizaron una variedad de métodos de investigación complementarios para analizar los diferentes procesos en las interfaces entre perovskita, SAM y el electrodo: “En particular, optimizamos lo que se llama factor de relleno, que está influenciado por la cantidad de portadores de carga que se pierden al salir de la celda superior de perovskita ”, explica Al-Ashouri. Mientras que los electrones fluyen en la dirección de la luz solar a través de la capa C60, los «agujeros» se mueven en la dirección opuesta a través de la capa SAM hacia el electrodo. “Sin embargo, observamos que la extracción de huecos es mucho más lenta que la extracción de electrones, lo que limita el factor de llenado”, dice Al-Ashouri. Sin embargo, la nueva capa SAM aceleró considerablemente el transporte de agujeros y, por tanto, contribuye simultáneamente a mejorar la estabilidad de la capa de perovskita.

Combinación de métodos

Mediante una combinación de espectroscopía de fotoluminiscencia, modelado, caracterización eléctrica y mediciones de conductividad de terahercios, fue posible distinguir los diversos procesos en la interfaz del material de perovskita y determinar el origen de pérdidas significativas.

Las cooperaciones como clave del éxito

Muchos socios participaron en el proyecto, incluida la Universidad Tecnológica de Kaunas / Lituania, la Universidad de Potsdam, la Universidad de Ljubljana / Eslovenia, la Universidad de Sheffield / Reino Unido, así como el Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), HTW Berlin y Technische Universität Berlin, donde Albrecht tiene una cátedra junior. El trabajo en las células individuales de perovskita y silicio se llevó a cabo en los laboratorios HZB HySPRINT y PVcomB, respectivamente. “Cada socio aportó su propia experiencia especial al proyecto, por lo que pudimos lograr este gran avance juntos”, dice Albrecht. La máxima eficiencia posible ya está al alcance: los investigadores analizaron las dos células individualmente y calcularon una máxima eficiencia posible del 32,4% para este diseño. “Ciertamente podemos lograr más del 30%”, dice Albrecht.

Referencia: “Célula solar en tándem de perovskita monolítica / silicio con> 29% de eficiencia mediante extracción de orificios mejorada” por Amran Al-Ashouri, Eike Köhnen, Bor Li, Artiom Magomedov, Hannes Hempel, Pietro Caprioglio, José A. Márquez, Anna Belen Morales Vilches , Ernestas Kasparavicius, Joel A. Smith, Nga Phung, Dorothee Menzel, Max Grischek, Lukas Kegelmann, Dieter Skroblin, Christian Gollwitzer, Tadas Malinauskas, Marko Jošt, Gašper Matic, Bernd Rech, Rutger Schlatate, Marko Topic, Lars Korte, Antonio , Bernd Stannowski, Dieter Neher, Martin Stolterfoht, Thomas Unold, Vytautas Getautis y Steve Albrecht, 11 de diciembre de 2020, Ciencias.
DOI: 10.1126 / science.abd4016