Divergent Solid-state Conversion Pathways in Evaporated All-perovskite Tandem Solar Cells
Al revelar mecanismos de conversión de estado sólido divergentes en pilas de perovskita de banda ancha y banda estrecha evaporadas secuencialmente, este estudio establece el control específico de la banda prohibida como un principio de diseño para permitir la primera celda solar tándem de todo perovskita evaporada con una eficiencia del 19.2% y una estabilidad térmica mejorada.
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La energía solar ha estado limitada durante mucho tiempo por un techo fundamental: una sola capa de material solo puede capturar una porción específica de la luz del sol, dejando que el resto pase de largo o se convierta en calor desperdiciado. Para romper esta barrera, los científicos han recurrido a apilar dos capas diferentes una sobre otra, creando una celda tándem donde la capa superior captura la luz de alta energía y la capa inferior captura el resto. El material más prometedor para este trabajo es una clase de cristales llamados perovskitas, que pueden ajustarse para absorber diferentes colores de luz. Si bien estas celdas han alcanzado niveles de eficiencia impresionantes en el laboratorio, actualmente se fabrican utilizando productos químicos líquidos. Este método involucra solventes tóxicos y pasos desordenados que son difíciles de escalar para paneles grandes, flexibles o de tamaño industrial. Una alternativa más limpia y precisa es construir estas capas desde cero en el vacío, evaporando materiales sólidos hasta que formen una película, de forma muy similar a como la escarcha se forma en una ventana. Sin embargo, aunque este método de vacío funciona bien para capas simples, los científicos han tenido dificultades para entender cómo fabricar las complejas capas de materiales mixtos necesarias para las celdas tándem sin la ayuda de líquidos.
Un equipo de investigadores ha resuelto ahora este rompecabezas observando, en tiempo real, cómo estas capas depositadas al vacío se transforman en celdas solares funcionales. Descubrieron que el proceso no es un evento único y uniforme, sino dos vías completamente diferentes dependiendo del tipo de material que se esté fabricando. Al crear la capa superior, diseñada para absorber luz azul y verde, los materiales se mezclan de forma rápida y uniforme antes de que la estructura cristalina final se forme siquiera. Los investigadores descubrieron que el color de luz que absorbe esta capa está determinado simplemente por cuánto se añade de un ingrediente específico que contiene bromo, independientemente de la proporción de otros ingredientes. El sistema actúa como una sopa bien mezclada donde el sabor final depende de la cantidad total de una especia clave, no de la proporción de los demás ingredientes.
En marcado contraste, la capa inferior, diseñada para absorber luz roja e infrarroja utilizando una mezcla de estaño y plomo, sigue un camino mucho más caótico. Tan pronto como se añade el componente orgánico, comienza una reacción en la interfaz entre las capas, formando una costra sólida que atrapa los materiales restantes debajo. Esta formación temprana crea una barrera que impide que los ingredientes se mezclen a fondo. En lugar de una mezcla uniforme, el cristal final termina con un gradiente vertical, donde la parte superior es rica en plomo y la inferior es rica en estaño. Los investigadores se dieron cuenta de que esta mezcla desigual ocurre porque la red cristalina se forma y endurece más rápido de lo que los átomos metálicos pueden intercambiar lugares para encontrar sus posiciones perfectas. Este conocimiento explica por qué los intentos previos de fabricar estas celdas fueron inconsistentes; el proceso intentaba forzar una mezcla uniforme en un sistema que naturalmente se resiste a ella.
Armados con este entendimiento de cómo se comportan los materiales, el equipo optimizó el calentamiento y el tiempo para cada capa por separado. Lograron crear una celda solar tándem completa donde ambas capas, la superior y la inferior, se formaron enteramente a través de este método seco basado en el vacío, sin una sola gota de solvente líquido. El dispositivo resultante convirtió la luz solar en electricidad con una eficiencia del 19.2 por ciento, un hito significativo para esta técnica de fabricación específica. Además, las celdas demostraron ser notablemente duraderas; al almacenarse en un ambiente cálido durante 1,200 horas, retuvieron el 80 por ciento de su rendimiento inicial. Este trabajo demuestra que, al adaptar el proceso de fabricación al comportamiento físico específico de cada capa, es posible construir celdas solares de alta calidad y libres de solventes que están listas para la próxima generación de energía solar flexible y a gran escala.
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