Exploring the Potential of Ternary Blending for Two and Three-Junction RAINBOW Solar Cells

Este estudio demuestra que la arquitectura escalable de división espectral RAINBOW, que utiliza subceldas ternarias mezcladas para optimizar los anchos de banda y minimizar los desafíos de fabricación, puede aumentar la eficiencia de las celdas fotovoltaicas orgánicas del 12,9 % en dispositivos de unión simple al 17,3 % en configuraciones de tres uniones, confirmando su viabilidad para celdas solares de alto rendimiento y fabricables.

Lo esencial

Imagina que intentas recoger agua de lluvia usando un solo cubo ancho. Si la lluvia es ligera, recoges un poco. Si es un aguacero fuerte, tu cubo se desborda y pierdes el exceso de agua. Así es exactamente como funcionan hoy las células solares tradicionales: están hechas de un solo material que solo puede "atrapar" fotones (partículas de luz) de una energía específica. Si la luz es demasiado débil, el material la ignora. Si la luz es demasiado fuerte, el material la atrapa pero desperdicia el exceso de energía en forma de calor.

Los investigadores de este artículo están intentando construir un mejor "sistema de captación de lluvia" utilizando un nuevo diseño ingenioso llamado RAINBOW.

El Problema con la Vieja Forma (Apilamiento)

Por lo general, para captar más tipos de luz, los científicos apilan diferentes células solares una encima de la otra, como un sándwich. La capa superior atrapa la luz brillante y de alta energía, y deja pasar el resto a la capa inferior. Pero esto es difícil de construir. Es como intentar apilar panqueques delicados perfectamente; si no se alinean justo bien, todo se derrumba o deja de funcionar. Además, las capas deben coincidir perfectamente en la cantidad de electricidad que producen, lo cual es un dolor de cabeza para los fabricantes.

La Nueva Idea: El Enfoque RAINBOW

En lugar de apilar las células verticalmente, los investigadores las dispusieron una al lado de la otra, como baldosas en un piso. Utilizan un espejo óptico especial (el "elemento óptico") para dividir la luz solar como un prisma, enviando diferentes colores de luz a diferentes baldosas.

• La luz azul va a la "Baldosa Azul".
• La luz verde va a la "Baldosa Verde".
• La luz roja va a la "Baldosa Roja".

Como están una al lado de la otra, no necesitan estar perfectamente apiladas, ni necesitan coincidir exactamente en su producción eléctrica. Esto las hace mucho más fáciles de fabricar utilizando herramientas grandes y escalables como una espátula de goma (un proceso llamado recubrimiento por cuchilla).

La Pieza Faltante: La Mezcla "Ternaria"

El equipo descubrió que, aunque las baldosas "Azul" y "Verde" funcionaban bien, la "Baldosa Roja" (que atrapa la luz de menor energía, infrarroja lejana) estaba teniendo dificultades. Era como un cubo con un agujero en el fondo; podía atrapar el agua, pero perdía mucha energía.

Para solucionarlo, no usaron solo un material para la Baldosa Roja. Crearon una Mezcla Ternaria.
Piensa en una mezcla binaria como un batido hecho de solo dos frutas (Donante y Aceptor). Una mezcla ternaria añade una tercera fruta.

• Tomaron su material rojo problemático y mezclaron un tercer ingrediente.
• Este tercer ingrediente actuó como un "puente" o un "ayudante". Ayudó a que la electricidad fluyera mejor y detuvo las fugas de energía.
• Específicamente, mezclaron un material llamado COTIC-4F (el principal capturador) con BTP-eC9 (el ayudante).

Esta nueva mezcla de tres partes no solo atrapó la misma cantidad de luz; la atrapó con mayor eficiencia, convirtiendo más de esa luz en electricidad.

Los Resultados: Una Mejor Captura

El equipo probó esta idea de dos maneras:

1. Simulaciones por Computadora: Modelaron qué pasaría si combinaban estas baldosas. Descubrieron que un sistema de 2 uniones (Azul + Roja) podía alcanzar una eficiencia del 16.4%, y un sistema de 3 uniones (Azul + Verde + Roja) podía llegar al 17.7%.
2. Pruebas del Mundo Real: Construyeron físicamente estos dispositivos lado a lado utilizando su método de recubrimiento por cuchilla. Los resultados fueron muy cercanos a las simulaciones:
   • Dispositivo de 2 uniones: 15.9% de eficiencia.
   • Dispositivo de 3 uniones: 17.3% de eficiencia.

Esto representa un gran salto desde sus dispositivos de material único, que solo alcanzaban alrededor del 12.9%.

La Perspectiva Futura

El artículo concluye que este diseño "RAINBOW" es una forma muy prometedora y escalable de hacer que las células solares orgánicas sean más eficientes. Sin embargo, señalan un último obstáculo: para impulsar la eficiencia aún más alto, necesitan encontrar materiales que sean realmente buenos atrapando la luz azul de muy alta energía (banda ancha). Actualmente, esos materiales no son tan buenos como los rojos y verdes todavía.

En resumen: Al colocar las células solares una al lado de la otra en lugar de apilarlas, y al mezclar un "tercer ingrediente" en el material que atrapa la luz roja para arreglar sus fugas, el equipo creó un diseño de célula solar que es más fácil de fabricar y captura significativamente más energía del sol.

Resumen técnico

Resumen Técnico: Exploración del Potencial de la Mezcla Ternaria para Células Solares RAINBOW de Dos y Tres Uniones

Planteamiento del Problema
La fotovoltaica orgánica (OPV) ha superado recientemente el 20% de eficiencia en dispositivos de unión única, sin embargo, sigue estando fundamentalmente limitada por el desajuste espectral entre el espectro solar incidente y la banda prohibida del material fotoactivo. Aunque las arquitecturas de múltiples uniones (tándem) ofrecen una vía hacia mayores eficiencias al reducir las pérdidas por termalización y absorción, las configuraciones apiladas verticalmente enfrentan obstáculos significativos de fabricación, incluidas las restricciones de coincidencia de corriente, capas de interconexión complejas y problemas de escalabilidad. La arquitectura "RAINBOW" propone una solución colocando las subcélulas lado a lado y conectándolas externamente, utilizando elementos ópticos para dividir la luz incidente lateralmente. No obstante, el rendimiento de los dispositivos RAINBOW está actualmente limitado por la disponibilidad de materiales altamente eficientes en todo el espectro de bandas prohibidas, particularmente para los regímenes de banda prohibida estrecha (NBG, <1.3 eV) y de banda prohibida ancha (WBG, >1.7 eV). Además, los sistemas NBG existentes, como PTB7-Th:COTIC-4F, a menudo sufren de un voltaje de circuito abierto ($V_{oc}$) bajo y una extracción de carga ineficiente, lo que limita su utilidad como subcélulas rojas.

Metodología
El estudio emplea un enfoque multifacético que combina la selección de materiales, la optimización de mezclas ternarias, la simulación de dispositivos y la fabricación escalable:

1. Selección de Materiales y Optimización Ternaria: Los autores evaluaron siete sistemas binarios de donante-aceptor que abarcan bandas prohibidas desde 1.98 eV hasta 1.16 eV. Reconociendo las limitaciones del sistema binario NBG PTB7-Th:COTIC-4F, exploraron mezclas ternarias incorporando un tercer componente (ya sea un segundo aceptor o un derivado de fulereno) para ajustar el $V_{oc}$ y mejorar el transporte de carga. Se probaron cinco sistemas ternarios específicos, con un enfoque en el sistema PTB7-Th:COTIC-4F:BTP-eC9.
2. Caracterización: Los dispositivos se fabricaron utilizando recubrimiento por cuchilla de alto rendimiento con gradientes de espesor para determinar los espesores óptimos de la capa activa. La caracterización integral incluyó mediciones corriente-voltaje (JV) bajo AM1.5G, perfiles de Eficiencia Cuántica Externa (EQE) y Dispersión de Rayos X de Ángulo Ancho con Incidencia Rasante (GIWAXS) basada en sincrotrón para analizar la microestructura y la cristalinidad.
3. Simulación: Se realizaron simulaciones semi-experimentales para modelar configuraciones RAINBOW de 2 uniones y 3 uniones. Estos modelos utilizaron parámetros experimentales de JV y curvas de EQE para calcular corrientes parciales y eficiencias para diferentes longitudes de onda de división espectral ($\lambda_{div}$).
4. Fabricación de Prueba de Concepto: Se fabricaron dispositivos RAINBOW monolíticos utilizando recubrimiento por cuchilla guiado por menisco escalable, depositando hasta seis materiales activos diferentes lado a lado sobre un sustrato único. Estos dispositivos se caracterizaron bajo espectros parciales personalizados generados por un simulador solar LED programable para imitar las condiciones de operación RAINBOW.
5. Análisis Teórico: Se calculó un límite de balance detallado modificado para tener en cuenta las pérdidas no radiativas intrínsecas en semiconductores orgánicos, específicamente la energía de reorganización, para estimar el techo teórico para esta geometría.

Contribuciones y Resultados Clave

• Mezcla Ternaria para Subcélulas NBG: El estudio demuestra que la mezcla ternaria es una estrategia efectiva para superar las limitaciones de los sistemas binarios NBG. Específicamente, la mezcla ternaria PTB7-Th:COTIC-4F:BTP-eC9 (optimizada en una relación 1:0.6:0.9) mejoró significativamente el rendimiento de la subcélula roja. Mientras que el binario PTB7-Th:COTIC-4F alcanzó solo un 6.62% de eficiencia con un bajo $V_{oc}$ de 0.54 V, la mezcla ternaria alcanzó un 8.71% de eficiencia con un $V_{oc}$ aumentado de 0.60 V. Crucialmente, la mezcla ternaria mantuvo la absorción extendida en el infrarrojo cercano (hasta 1100 nm) mientras mejoraba la eficiencia de extracción de carga, como lo demuestran valores de EQE más altos en la región de absorción compartida. El análisis GIWAXS reveló que, aunque la microestructura estaba dominada por COTIC-4F, la alineación de los niveles de energía en el sistema ternario facilitó una transferencia de electrones en cascada desde COTIC-4F hacia BTP-eC9, reduciendo las pérdidas por recombinación.
• Simulación de Configuraciones de Múltiples Uniones: Las simulaciones identificaron que las eficiencias teóricas más altas para dispositivos RAINBOW dependen de la inclusión de estas mezclas ternarias optimizadas.
  • 2 Uniones: La configuración óptima (PTQ10:FCC-Cl como célula azul y la mezcla ternaria PTB7-Th:COTIC-4F:BTP-eC9 como célula roja) alcanzó una Eficiencia de Conversión de Potencia (PCE) simulada del 16.4%, un aumento significativo sobre la mejor célula de unión única (12.9%) y el RAINBOW basado en binarios (15.2%).
  • 3 Uniones: La adición de una subcélula verde (PM6:DTY6) a la pila óptima de 2 uniones produjo una PCE simulada del 17.7%.
• Validación Experimental: Los dispositivos RAINBOW de prueba de concepto fabricados mediante recubrimiento por cuchilla validaron las simulaciones.
  • El dispositivo de 2 uniones alcanzó una PCE experimental del 15.9% (en comparación con el 15.1% para el equivalente basado en binarios).
  • El dispositivo de 3 uniones alcanzó una PCE experimental del 17.3% (en comparación con el 17.0% para el equivalente basado en binarios).
  • Estos resultados confirman la viabilidad del método de deposición lado a lado y la eficacia de las mezclas ternarias para mejorar el rendimiento de las múltiples uniones.
• Límites Teóricos: Los autores proponen un límite de balance detallado revisado para OPV que incorpora pérdidas no radiativas. Este modelo sugiere que la eficiencia teórica máxima para OPV de unión única es aproximadamente del 27% en una banda prohibida de 1.5 eV (menor que el límite estándar de Shockley-Queisser del 33%). Para dispositivos RAINBOW de múltiples uniones, el modelo indica que las eficiencias pueden empujarse más alto, siempre que se desarrollen materiales WBG altamente eficientes (>2 eV) con corriente y factores de llenado mejorados.

Significado
El artículo establece la arquitectura RAINBOW como una alternativa viable y escalable a los tándems apilados verticalmente para OPV de alta eficiencia. Al demostrar que la mezcla ternaria puede ajustar eficazmente el $V_{oc}$ y las propiedades de transporte de carga de los materiales de banda prohibida estrecha sin sacrificar la cobertura espectral, el estudio proporciona una vía concreta para superar los cuellos de botella actuales en el diseño de OPV de múltiples uniones. La fabricación exitosa de dispositivos de 3 uniones con eficiencias que se acercan al 17.3% utilizando métodos escalables de recubrimiento por cuchilla resalta el potencial para aplicaciones industriales. Además, el trabajo subraya que las ganancias futuras en esta geometría dependen del desarrollo de materiales de banda prohibida ancha de alto rendimiento, desplazando el foco de la investigación de materiales hacia el régimen >2 eV para realizar plenamente el potencial del concepto RAINBOW.