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Cómo mejorar los materiales de las celdas solares basadas en perovsquitas

Investigadoras del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB) del CSIC han participado en un estudio que compara celdas solares basadas en perovsquitas conteniendo diversos materiales para así comprender las diferencias observadas en su rendimiento.

 

Los diferentes materiales utilizados como HTM también hacen cambiar el color de las céldas solares de perovskita. Imagen: ICIQUna colaboración liderada por el Instituto Catalán de Investigación Química (ICIQ), con la participación del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB- CSIC) y de IMDEA Nanociencia, aporta nuevos datos sobre el impacto que tiene, en el rendimiento de las celdas solares de perovskita, el uso de diferentes materiales. Los resultados del trabajo, dirigido por el grupo de Emilio Palomares de l’ICIQ, han sido publicados en la revista internacional Energy & Environmental Science y ayudarán a un diseño racional de los componentes de las celdas, aumentando así su atractivo comercial.

Entre las tecnologías de celdas solares existentes, la de tipo perovsquitas es la que avanza más rápidamente. Desde que empezaron a utilizarse en 2009, estas celdas han alcanzado altas eficiencias (más del 22% utilizando radiación solar estándar) a bajo coste. Pero todavía hay margen para mejorar si se optimizan los componentes que las constituyen. Una mejora consiste en incorporar Materiales de Transporte de Huecos (HTM, por sus siglas en inglés) más eficientes, para conseguir una óptima extracción de la carga eléctrica fotogenerada en la perovskita.

El trabajo de los investigadores del ICIQ, las investigadoras Carmen Ocal y Esther Barrena, del grupo Physical Chemistry of Surfaces and Interfaces del ICMAB-CSIC, y los de IMDEA Nanociencia, aporta detalles que explican las diferencias observadas en el rendimiento de las celdas  solares de perovskita cuando contienen HTM de moléculas diferentes pero que presentan propiedades químicas y físicas similares.

Cuando los materiales entran en contacto, las propiedades cambian

Las celdas solares de perovskita constan de varias capas finas de diferentes materiales. Entre ellas están las capas de Material de Transporte de Huecos (HTM, por sus siglas en inglés).

El HTM más común, el espiro-OMeTAD, es propenso a la degradación. Por ello, la investigación actual se centra en encontrar alternativas. "Durante muchos años, los científicos han estado diseñando nuevas moléculas que podrían sustituir al espiro-OMeTAD: moléculas con características similares a las del espiro-OMeTAD, confiando en que funcionarán igual de bien y se degradarán menos.

Pero, sorprendentemente, al probar los nuevos HTM en las celdas, el resultado es mucho peor. Por este motivo, decidimos estudiar las causas”, explica Nuria F. Moncada, investigadora postdoctoral del ICIQ y una de las primeras autoras del trabajo.

Los investigadores constataron que las nuevas moléculas con potencial de sustituir al espiro-OMeTAD como HTM se seleccionaron en base de sus propiedades en solución. Sin embargo, en las celdas solares funcionales, estas moléculas se preparan en forma de películas delgadas, cuyas superficies están en contacto con otros materiales, formando interfases. Estas interfases pueden conferir cambios en las propiedades de la capa HTM.

Dentro de  la colaboración, las científicas del ICMAB midieron la función de trabajo superficial de cada capa del material HTM, y descubrieron que "los niveles de energía del espiro-OMeTAD se alinean perfectamente con los niveles de los otros componentes de la celda, mientras que el alineamiento es menos favorable para las capas de las otras moléculas probadas. Las superficies y las interfases creadas en la celda solar tienen un papel crucial en las prestaciones de los dispositivos funcionales", explican Carmen Ocal y Esther Barrena. "Las moléculas deben caracterizarse en las mismas condiciones en las que se utilizarán", concluyen.

Este estudio ha sido financiado por el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades, el Consejo Europeo de Investigación, la Fundación Alexander von Humboldt, la Generalitat de Cataluña y el Programa Severo Ochoa de Centros de Excelencia.

Artículo de referencia:

Ilario Gelmetti, Núria F. Montcada, Ana Pérez-Rodríguez, Esther Barrena, Carmen Ocal, Inés García-Benito, Agustín Molina-Ontoria, Nazario Martín, Anton Vidal-Ferran and  Emilio Palomares. Energy alignment and recombination in perovskite solar cells: weighted influence on the open circuit voltage. Energy & Environmental Science. 2019,12, 1309-1316. DOI: 10.1039/C9EE00528E

 

Investigadoras del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB) del CSIC han participado en un estudio que compara celdas solares basadas en perovsquitas conteniendo diversos materiales para así comprender las diferencias observadas en su rendimiento.