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 [actualizar]. [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.