Una nueva investigación muestra una gran promesa para mejorar la eficiencia de las células solares

Una nueva investigación muestra una gran promesa para las células solares de perovskita inorgánica para mejorar la eficiencia de las células solares.

La perovskita híbrida orgánica e inorgánica ya ha demostrado una altísima eficiencia en células fotovoltaicas de más del 25%. La sabiduría predominante en el campo es que las moléculas orgánicas (que contienen carbono e hidrógeno) en el material son esenciales para lograr este asombroso rendimiento porque se cree que previenen la recombinación de portadores asistida por defectos.

Una nueva investigación en el Departamento de Materiales de la Universidad de California, Santa Bárbara, muestra no solo que esta suposición es incorrecta, sino también que todos los materiales inorgánicos tienen el potencial de superar a la perovskita híbrida. Los resultados se publican en un artículo titulado «Perovskitas de haluro totalmente inorgánico como candidatas a células solares eficientes», que aparece en la portada de la edición del 20 de octubre de 2021 de la revista. Informes celulares Ciencias físicas.

«Para comparar los materiales, realizamos simulaciones completas de los mecanismos de recombinación», explicó Xie Zhang, investigador principal del estudio. «Cuando se ilumina el material de la célula solar, los portadores fotogenerados generan corriente; la recombinación en los defectos destruye algunos de esos portadores y, por lo tanto, reduce la eficiencia. Por lo tanto, los defectos actúan como un asesino de la eficiencia».

Para comparar la perovskita inorgánica e híbrida, los investigadores estudiaron dos materiales modelo primarios. Ambas sustancias contienen átomos de plomo y yodo, pero en una sustancia la estructura cristalina se completa con el elemento inorgánico cesio, mientras que en la otra está la molécula orgánica metilamonio.

Clasificar experimentalmente estos procesos es muy difícil, pero los cálculos de la mecánica cuántica moderna pueden predecir con precisión las tasas de recombinación, gracias a la nueva metodología desarrollada en el profesor Chris Van de Waal del UCSB Materials Group, quien acredita a Mark. Turiansky, un estudiante graduado del grupo, ayuda a escribir el código para calcular las tasas de recombinación.

“Nuestros métodos son muy poderosos para identificar defectos que causan la pérdida del portador”, dijo Turiansky. «Es emocionante ver el enfoque aplicado a uno de los problemas críticos de nuestro tiempo, la generación eficiente de energía renovable».

La ejecución de simulaciones mostró que los defectos comunes en ambos materiales dan como resultado niveles comparables (y relativamente benignos) de recombinación. Sin embargo, la molécula orgánica puede disociarse en la perovskita híbrida; Cuando se produce la pérdida de átomos de hidrógeno, las «vacantes» resultantes reducen gravemente la eficiencia. Por lo tanto, la presencia de la molécula es perjudicial para la eficiencia general del material, no una ventaja.

¿Por qué, entonces, esto no se observa experimentalmente? Esto se debe principalmente a la dificultad de cultivar capas de alta calidad de materiales completamente inorgánicos. Tienen tendencia a adoptar otras estructuras cristalinas, y mejorar la formación de la estructura deseada requiere un mayor esfuerzo experimental. Sin embargo, investigaciones recientes han demostrado que, sin duda, es posible lograr la estructura preferida. Sin embargo, la dificultad explica por qué la perovskita inorgánica no ha recibido la misma atención hasta ahora.

«Esperamos que nuestros hallazgos sobre las eficiencias esperadas estimulen más actividades dirigidas a la producción de perovskita inorgánica», concluyó van de Waale.

Referencia: “Perovskita de haluro completamente inorgánica como candidatas para células solares eficientes” Por Xie Zhang, Mark E. Turiansky y Chris G. Van de Walle, 11 de octubre de 2021, disponible aquí. Informes celulares Ciencias físicas.
DOI: 10.1016 / j.xcrp.2021.100604

Esta investigación fue financiada por el Departamento de Energía, Oficina de Ciencias, Oficina de Ciencias Energéticas Básicas; Los cálculos se realizaron en el Centro de Computación Científica para la Investigación Nacional de Energía.