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Efficient and stable industrial-size perovskite/silicon tandems with long-span bisphosphonic self-assembled molecules

Este estudio presenta una molécula autoensamblada de bisfosfonato de largo alcance (S2) que permite una cobertura interfacial uniforme y estable en silicio texturizado a escala industrial, lo que resulta en células y módulos solares tándem de perovskita/silicio con una eficiencia certificada del 32,6 % y alta durabilidad.

Autores originales: Lixin Xiao, Rui Xia, Jiakai Gu, Zongyuan Yang, Lei Gao, Hongjiang Li, Hao Wang, Yan Wang, Zongwen Ma, Xueping Zong, Chenyue Wang, Wentao Tang, Xuandi Zhu, Ye Xu, Zhou Liu, Rui He, Hongxu Zhang, Yi Mo

Publicado 2026-08-18

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CC BY 4.0

Autores originales: Lixin Xiao, Rui Xia, Jiakai Gu, Zongyuan Yang, Lei Gao, Hongjiang Li, Hao Wang, Yan Wang, Zongwen Ma, Xueping Zong, Chenyue Wang, Wentao Tang, Xuandi Zhu, Ye Xu, Zhou Liu, Rui He, Hongxu Zhang, Yi Mo, Li Yin, Yujie Liu, Tao Guo, Changhuai Zhu, Cong Zhao, Hongzhuang Ma, Tianyu Teng, Qin Cao, Zhenkun Liu, Dongdong Yan, Chunfeng Zhang, Biao Cui, Guangtao Yang, Xueling Zhang, Shaocong Hou, Zhihui Wang, Zhigang Xie, Yifeng Chen, Mao Liang, Jifan Gao, Dechun Zou

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

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 solar, dejando que el resto pase a través de ella o se convierta en calor desperdiciado. Para romper esta barrera, los científicos han recurrido a apilar dos capas diferentes de captura de luz una sobre otra, creando una celda tándem. La capa superior está diseñada para captar la luz de alta energía, mientras que la capa inferior, generalmente hecha de silicio, captura la luz de menor energía que se filtra. Cuando estas dos trabajan juntas, pueden teóricamente generar mucha más electricidad que un panel solar estándar. Sin embargo, hacer que estas celdas apiladas funcionen de manera eficiente a una escala industrial y masiva ha demostrado ser difícil. La capa de silicio inferior no es plana; está cubierta de diminutas pirámides dentadas para ayudar a atrapar la luz. Si bien esta textura es buena para capturar la luz solar, crea un paisaje rugoso que es increíblemente difícil de recubrir de manera uniforme con las delicadas capas químicas necesarias para que la celda superior funcione. Si el recubrimiento es desigual, el dispositivo falla, y la promesa de una alta eficiencia permanece encerrada en el laboratorio.

Un equipo de investigadores ha resuelto ahora este problema de recubrimiento diseñando un nuevo tipo de capa molecular que puede cubrir perfectamente la superficie rugosa del silicio, lo que conduce a una eficiencia récord para paneles solares de gran tamaño. El núcleo de su éxito reside en una molécula construida a medida que actúa como un puente de autoensamblaje entre el silicio y la capa superior de captura de luz. Los intentos previos de crear estos puentes utilizaron moléculas pequeñas que solo podían agarrarse al silicio en un único punto. En los picos y crestas dentados de la textura del silicio industrial, estas moléculas pequeñas no podían alcanzar el siguiente punto, dejando huecos y provocando que la película se rompiera. Otros investigadores intentaron utilizar moléculas largas, similares a cadenas, para cubrir más terreno, pero estas tendían a amontonarse en montones desordenados en lugar de formar una hoja lisa. El nuevo diseño, desarrollado por científicos de la Universidad de Pekín, Trina Solar y otras instituciones, combina lo mejor de ambos mundos. Crearon una molécula con un esqueleto largo y flexible que puede estirarse a través de las puntas afiladas de las pirámides de silicio, mientras que sus extremos están equipados con dos anclajes fuertes en lugar de uno.

Los investigadores descubrieron que este diseño específico permite que las moléculas se extiendan uniformemente, cubriendo cada pulgada de la superficie texturizada sin amontonarse ni dejar huecos. Debido a que las moléculas son tan largas y flexibles, pueden doblarse y adaptarse a la forma del silicio, llegando de un lado a otro de una pirámide. Los dos anclajes en los extremos se agarran firmemente a la superficie, asegurando que la capa permanezca en su lugar incluso bajo calor y estrés. Esta cobertura uniforme es crítica porque permite que la electricidad fluya suavemente desde la capa superior hacia la capa inferior sin quedarse atascada o filtrarse. Cuando el equipo probó esta nueva molécula en un entorno de laboratorio sobre una pequeña pieza de silicio, la celda solar resultante convirtió el 34.3% de la luz solar que la golpeaba en electricidad. Este es un salto significativo respecto a los récords anteriores para este tipo de celda pequeña.

Más importante aún, el equipo demostró que este enfoque funciona a la escala masiva requerida para la generación de energía en el mundo real. Aplicaron la misma molécula a una oblea de silicio grande, aproximadamente del tamaño de un panel solar industrial estándar, utilizando una máquina que recubre la superficie como una impresora. El panel grande logró una eficiencia certificada del 32.6%, que es la más alta jamás registrada para una celda solar de ese tamaño. Para asegurar que esta tecnología esté lista para el mundo real, los investigadores sometieron los paneles a condiciones duras que imitan años de uso en exteriores. Hornearon los paneles en calor y humedad elevados y los sometieron a ciclos de cambios de temperatura extremos. Después de estas pruebas, los paneles retuvieron más del 90% de su producción de energía original. Cuando instalaron un módulo hecho de estas grandes celdas al aire libre, este continuó produciendo energía constante a lo largo de un mes.

El estudio demuestra que la clave para desbloquear todo el potencial de la próxima generación de energía solar no está solo en los materiales que capturan la luz, sino en cómo esos materiales se conectan con el silicio que hay debajo. Al diseñar una molécula que es lo suficientemente larga para cubrir el terreno accidentado del silicio industrial y lo suficientemente fuerte para sostenerse, los investigadores han eliminado un importante cuello de botella que había mantenido a las celdas solares de alta eficiencia confinadas en pequeñas muestras de laboratorio. Este trabajo sugiere que el camino hacia una energía solar más barata y potente es claro, siempre que la interfaz delicada entre las capas pueda gestionarse con la misma precisión que los propios materiales de captura de luz. Los resultados indican que estas celdas tándem ya no son solo una posibilidad teórica, sino una tecnología viable lista para la producción en masa.

Resumen Técnico: Perovskita/Silicio de Tamaño Industrial Eficientes y Estables con Moléculas Autoensambladas de Bisfosfónico de Largo Alcance

Planteamiento del Problema
Si bien las moléculas autoensambladas (SAM) han permitido que las células solares tándem de perovskita/silicio superen el límite de Shockley-Queisser en dispositivos de área pequeña (~1 cm²), el escalado de estas tecnologías a tamaños industriales presenta un cuello de botella crítico. Las SAM monofosfónicas convencionales (p. ej., Me-4PACz) no logran formar películas uniformes en sustratos de silicio texturizados de escala industrial que presentan características de pirámides de ~1 μm. Debido a su anclaje de sitio único y alcance molecular limitado, estas moléculas no pueden puentear facetas adyacentes a través de las puntas y crestas de las pirámides, lo que provoca una cobertura discontinua, sustrato expuesto y vías de cortocircuito. Por el contrario, las SAM poliméricas o los diseños multifosfónicos existentes suelen sufrir de una agregación molecular severa o un alcance insuficiente para cubrir las características afiladas de las pirámides, lo que resulta en películas interfaciales inhomogéneas que degradan el rendimiento y la estabilidad del dispositivo.

Metodología y Diseño Molecular
Para abordar la compensación entre el alcance molecular y la agregación, los autores diseñaron racionalmente una SAM de bisfosfónico de largo alcance, denominada S2. La estrategia de diseño consistió en:

Estructura $\pi$ -Conjugada Extendida: Reemplazar la unidad de carbazol por indeno[2,1-b]carbazol e introducir unidades de fluoreno flexibles como puentes $\pi$ para conectar dos fragmentos asimétricos. Esto aumentó significativamente el alcance molecular para puentear las puntas y crestas de las pirámides.
Bisagras Flexibles: Utilizar enlaces C-C flexibles y grupos gem-dimetilo con hibridación sp³ en el esqueleto de fluoreno. Estas características actúan como bisagras moleculares para permitir una cobertura conformal mientras se suprime la agregación molecular mediante impedimento estérico.
Anclaje de Bisfosfónico: Incorporar dos grupos de ácido fosfónico para mejorar la fuerza de unión interfacial a través de la superficie texturizada y proporcionar un momento dipolar más alto para el alineamiento de los niveles de energía.

El diseño fue validado mediante el cribado de la Teoría del Funcional de la Densidad (DFT) y simulaciones de Dinámica Molecular (MD), que predijeron que S2 mantendría un alto alcance espacial y una disposición densa y uniforme en superficies texturizadas, a diferencia de la referencia Me-4PACz y la molécula asimétrica intermedia (SC).

Caracterización Clave y Mecanismos

Cobertura Superficial y Estabilidad: La Espectroscopía de Fotoelectrones de Rayos X (XPS) y la Microscopía de Fuerza Atómica con Espectroscopía Infrarroja (AFM-IR) confirmaron que S2 logra una cobertura verdaderamente conformal y con agregación suprimida en ITO y silicio texturizados, reteniendo el 86% de su señal tras el lavado, en comparación con el 62–67% de las referencias.
Empaquetamiento Molecular: La dispersión de rayos X de ángulo ancho de incidencia rasante (GIWAXS) reveló una periodicidad molecular de largo alcance y un empaquetamiento ordenado mejorado para S2, atribuido a la estructura conjugada expandida.
Propiedades Electrónicas: S2 exhibió un momento dipolar significativamente mayor (3.34 D) en comparación con SC (1.79 D) y Me-4PACz (1.21 D). Esto resultó en una función de trabajo reducida (4.52 eV) y un alineamiento optimizado de la banda de valencia, facilitando la extracción eficiente de huecos.
Rendimiento Optoelectrónico: Las películas de perovskita sobre S2 mostraron un aumento de 5 veces en el Rendimiento Cuántico de Fotoluminiscencia (PLQY) y un tiempo de vida de portadores más largo (943 ns) en comparación con las referencias, lo que indica una recombinación no radiativa suprimida.
Estabilidad Térmica y Electroquímica: La voltamperometría cíclica y el Análisis Termogravimétrico (TGA) demostraron que S2 posee una excepcional robustez electroquímica y una temperatura de descomposición de 398 °C. Las simulaciones de MD sugirieron que la molécula actúa como un "amortiguador molecular", acomodando la deformación térmica mediante adaptabilidad conformacional.

Resultados
La integración de S2 en las TSC yielding (proporcionó) eficiencias y estabilidad récord:

Rendimiento a Escala de Laboratorio: Las TSC basadas en S2 (0.98 cm²) alcanzaron una Eficiencia de Conversión de Potencia (PCE) de campeón del 34.3% (escaneo inverso) y un 33.8% certificado.
Rendimiento de Tamaño Industrial: Para las TSC de media celda de 210 mm (área activa ~196.97 cm²), los dispositivos basados en S2 alcanzaron una PCE certificada del 32.6%, representando la eficiencia más alta reportada para TSC de perovskita/silicio de tamaño industrial. Los dispositivos exhibieron una superior uniformidad, con eficiencias de subcelda que variaron estrechamente entre 31.12% y 32.07% a través de la oblea.
Estabilidad: Las TSC de gran tamaño encapsuladas retuvieron el 91% de su eficiencia inicial tras 1,000 horas de calor húmedo (85 °C/85% HR) y el 93.5% tras 200 ciclos térmicos. Un módulo integrado de cuatro subceldas mantuvo ~95% de su potencia inicial tras un mes de operación en exteriores.

Significancia
El artículo sostiene que la limitación principal de las SAM convencionales en tándems de gran área es la incapacidad de lograr simultáneamente una cobertura conformal y un rendimiento robusto en superficies texturizadas. Al emplear una estrategia de "ingeniería de alcance molecular"—combinando una conjugación extendida para la capacidad de puente con flexibilidad conformacional para una propagación uniforme—los autores resolvieron el dilema entre agregación y cobertura. Este trabajo establece que el diseño molecular racional de las SAM puede superar las barreras de escalabilidad de la fotovoltaica de perovskita, permitiendo la traslación de células de alta eficiencia de escala de laboratorio a módulos de grado industrial con eficiencias certificadas que superan el 32% y demostrando la resiliencia requerida para el despliegue comercial.

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