La tecnología fotovoltaica, que convierte la luz en electricidad, se está aplicando cada vez más en todo el mundo para generar energía renovable. Investigadores de la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (HKUST) han desarrollado un tratamiento molecular que mejora significativamente la eficiencia y durabilidad de las células solares de perovskita. Este avance podría acelerar la producción a gran escala de esta energía limpia.
Un paso crucial en la investigación
El equipo de investigación, dirigido por el Profesor Asistente Lin Yen-Hung del Departamento de Ingeniería Electrónica y Computación y el Laboratorio Estatal de Tecnologías Optoelectrónicas y de Pantallas Avanzadas, identificó parámetros críticos que determinan el rendimiento y la vida útil de las perovskitas de haluro. Este material fotovoltaico de próxima generación ha surgido como uno de los más prometedores debido a su estructura cristalina única. Los hallazgos se publicaron en la revista Science.
Importancia de la pasivación
La pasivación, un proceso químico que reduce el número de defectos o mitiga su impacto en los materiales, ha sido crucial para mejorar la eficiencia de las celdas solares de perovskita en la última década. Sin embargo, las rutas de pasivación que conducen a las mayores eficiencias a menudo no mejoran sustancialmente la estabilidad operativa a largo plazo. El equipo de HKUST se centró en la familia molecular de «amino-silano» para pasivar las celdas solares de perovskita.
Metodología y resultados
El equipo demostró por primera vez cómo diferentes tipos de aminas (primarias, secundarias y terciarias) y sus combinaciones pueden mejorar las superficies de las películas de perovskita donde se forman muchos defectos. Utilizando métodos «ex-situ» (fuera del entorno operativo) e «in-situ» (dentro del entorno operativo), observaron las interacciones de las moléculas con las perovskitas. Identificaron moléculas que aumentan sustancialmente el rendimiento cuántico de fotoluminiscencia (PLQY), lo que indica menos defectos y mejor calidad.
Esta investigación es crucial para el desarrollo de celdas solares en tándem, que combinan múltiples capas de materiales fotoactivos con diferentes brechas de banda. Este diseño maximiza el uso del espectro solar al absorber diferentes partes de la luz solar en cada capa, lo que conduce a una mayor eficiencia general.
Aplicación y viabilidad comercial
En su demostración, el equipo fabricó dispositivos de tamaños medianos (0.25 cm²) y grandes (1 cm²). El experimento logró una baja pérdida de fotovoltaje en un amplio rango de brechas de banda, manteniendo una alta salida de voltaje. Estos dispositivos alcanzaron voltajes de circuito abierto superiores al 90% del límite termodinámico. Comparando con aproximadamente 1,700 conjuntos de datos de la literatura existente, sus resultados se situaron entre los mejores reportados hasta la fecha en términos de eficiencia en la conversión de energía.
Además, el estudio demostró una notable estabilidad operativa para las celdas pasivadas con amino-silano bajo el protocolo ISOS-L-3, un procedimiento de prueba estandarizado para celdas solares. Aproximadamente 1,500 horas en el proceso de envejecimiento de la celda, la eficiencia del punto de máxima potencia (MPP) y la eficiencia de conversión de energía (PCE) se mantuvieron en niveles altos. Para las mejores celdas pasivadas, la eficiencia MPP y la eficiencia PCE se registraron en 19.4% y 20.1% respectivamente, entre las más altas y duraderas reportadas hasta la fecha.
El Profesor Lin destacó que su proceso de tratamiento no solo mejora la eficiencia y durabilidad de las celdas solares de perovskita, sino que también es compatible con la producción a escala industrial. Este tratamiento es similar al proceso de imprimación HMDS (hexametildisilazano) ampliamente utilizado en la industria de semiconductores, lo que sugiere que su nuevo método puede integrarse fácilmente en los procesos de fabricación existentes, haciéndolo comercialmente viable y listo para su aplicación a gran escala.
Colaboración internacional
El equipo de investigación incluyó al estudiante de doctorado en Ingeniería Electrónica y Computación Cao Xue-Li, a la Gerente Principal del Laboratorio Estatal de Tecnologías Optoelectrónicas y de Pantallas Avanzadas, Dra. Fion Yeung, junto con colaboradores de la Universidad de Oxford y la Universidad de Sheffield.
Con este avance, las celdas solares de perovskita están un paso más cerca de ser una solución viable y eficiente para la generación de energía renovable a gran escala, contribuyendo significativamente a un futuro más sostenible.
Vía hkust.edu.hk
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