Célula solar de perovskita


Una celda solar de perovskita ( PSC ) es un tipo de celda solar que incluye un compuesto estructurado de perovskita , más comúnmente un plomo orgánico-inorgánico híbrido o un material a base de haluro de estaño , como la capa activa de captación de luz. [1] [2] Los materiales de perovskita, como los haluros de plomo de metilamonio y los haluros de plomo de cesio totalmente inorgánicos, son baratos de producir y fáciles de fabricar.

La eficiencia de las células solares de dispositivos a escala de laboratorio que utilizan estos materiales ha aumentado del 3,8 % en 2009 [3] al 25,7 % en 2021 en arquitecturas de unión única, [4] [5] y, en células tándem basadas en silicio, al 29,8 % , [4] [6] superando la eficiencia máxima alcanzada en las células solares de silicio de unión única. Por lo tanto, las células solares de perovskita han sido la tecnología solar de más rápido avance a partir de 2016 . [1] Con el potencial de lograr eficiencias aún mayores y costos de producción muy bajos, las células solares de perovskita se han vuelto comercialmente atractivas. Los problemas centrales y los temas de investigación incluyen su estabilidad a corto y largo plazo. [7]

Las perovskitas de haluro metálico poseen características únicas que las hacen útiles para aplicaciones de células solares. Las materias primas utilizadas y los posibles métodos de fabricación (como varias técnicas de impresión) son de bajo costo. [8] Su alto coeficiente de absorción permite que películas ultrafinas de alrededor de 500 nm absorban el espectro solar visible completo. [9] Estas características combinadas dan como resultado la posibilidad de crear módulos solares de bajo costo, alta eficiencia, delgados, livianos y flexibles. Las células solares de perovskita han encontrado uso en la alimentación de dispositivos electrónicos inalámbricos de baja potencia para las aplicaciones de Internet de las cosas alimentadas por el ambiente , [10] y pueden ayudar a mitigar el cambio climático . [11]

El nombre 'célula solar de perovskita' se deriva de la estructura cristalina ABX 3 de los materiales absorbentes, que se conoce como estructura de perovskita y donde A y B son cationes y X es un anión . Se encontraron cationes A con radios entre 1,60 Å y 2,50 Å para formar estructuras de perovskita. [13] El absorbente de perovskita más comúnmente estudiado es el trihaluro de plomo de metilamonio (CH 3 NH 3 PbX 3 , donde X es un ion halógeno como yoduro , bromuro o cloruro ), con un efecto ópticobanda prohibida entre ~1.55 y 2.3 eV dependiendo del contenido de haluros. El trihaluro de plomo de formamidinio (H 2 NCHNH 2 PbX 3 ) también se ha mostrado prometedor, con bandas prohibidas entre 1,48 y 2,2 eV. La brecha de banda mínima está más cerca del óptimo para una celda de unión única que el trihaluro de plomo de metilamonio, por lo que debería ser capaz de lograr eficiencias más altas. [14] El primer uso de perovskita en una celda solar de estado sólido fue en una celda sensibilizada con tinte que usaba CsSnI 3 como una capa de transporte de agujeros de tipo p y absorbente. [15] Una preocupación común es la inclusión de plomo como componente de los materiales de perovskita; Células solares basadas en absorbentes de perovskita a base de estaño como CH3 NH 3 SnI 3 también han sido reportados con menores eficiencias de conversión de energía. [16] [17] [18] [19]

La eficiencia de las células solares está limitada por el límite de Shockley-Queisser . Este límite calculado establece la máxima eficiencia teórica de una celda solar usando una sola unión sin otra pérdida aparte de la recombinación radiativa en la celda solar. Según los espectros solares globales AM1.5G, la máxima eficiencia de conversión de energía se correlaciona con una banda prohibida respectiva, formando una relación parabólica.

y u es el factor de eficiencia final, y v es la relación entre el voltaje de circuito abierto V op y el voltaje de banda prohibida V g , y m es el factor de adaptación de impedancia, y V c es el voltaje térmico y V s es el voltaje equivalente de la temperatura del Sol.


Células solares de perovskita
Estructura cristalina de perovskitas CH 3 NH 3 PbX 3 (X=I, Br y/o Cl). El catión metilamonio (CH 3 NH 3 + ) está rodeado por octaedros PbX 6 . [12]
Mejora en la eficiencia de conversión de energía de las perovskitas inorgánicas durante la última década de desarrollo, estructura básica [24]
Deposición de solución de un paso frente a deposición de solución de dos pasos
Esquema de una celda solar de perovskita sensibilizada en la que la capa activa consiste en una capa de TiO 2 mesoporoso que está recubierta con el absorbente de perovskita. La capa activa se pone en contacto con un material de tipo n para la extracción de electrones y un material de tipo p para la extracción de huecos. b) Esquema de una celda solar de perovskita de película delgada . En esta arquitectura en la que solo una capa plana de perovskita se intercala entre dos contactos selectivos. c) Generación y extracción de carga en la arquitectura sensibilizada. Después de la absorción de luz en el absorbente de perovskita, el electrón fotogenerado se inyecta en el TiO 2 mesoporoso.a través del cual se extrae. El agujero generado concomitantemente se transfiere al material de tipo p. d) Generación y extracción de carga en la arquitectura de película delgada. Después de la absorción de luz, tanto la generación de carga como la extracción de carga ocurren en la capa de perovskita.
Ejemplo de análisis de la base de datos; en la versión inicial se puede mostrar "la evolución del rendimiento de, por ejemplo, celdas flexibles, celdas basadas en CsPbI 3 o celdas que cumplen cualquier combinación de restricciones" con un clic