Células solares de perovskita sin plomo
Cómo los aditivos de flúor mejoran la calidad
Las perovskitas de haluro de estaño se consideran actualmente la mejor alternativa a los análogos que contienen plomo, pero siguen siendo significativamente menos eficientes y estables en comparación con ellos. Ahora, un equipo dirigido por el profesor Antonio Abate, del HZB, ha analizado en detalle los procesos químicos de la solución precursora de la perovskita y su química de fluoruro. Utilizando una sofisticada combinación de métodos de medición en BESSY II con resonancia magnética nuclear, pudieron demostrar que el flúor impide la oxidación del estaño, lo que conduce a la formación de una película más homogénea con menos defectos y aumenta la calidad de la capa semiconductora.
La adición de aditivos de flúor aumenta la calidad de la capa de perovskita. Los análisis de BESSY II muestran ahora por qué.
M. Künsting/HZB
Las células solares de perovskita de haluro de plomo prometen eficiencias muy altas con bajos costes de fabricación. Sin embargo, la toxicidad del plomo plantea graves problemas medioambientales. La búsqueda de alternativas sin plomo está en pleno apogeo. El estaño se considera actualmente la mejor opción, pero es propenso a la oxidación y a la cristalización incontrolada, lo que limita la fabricación, el rendimiento y la estabilidad de las células solares.
Una de las estrategias más comunes para obtener películas de perovskita basadas en estaño de buena calidad es utilizar fluoruro de estaño (SnF2) como aditivo en el proceso de fabricación basado en la solución. Muchos estudios muestran que el SnF2 mejora las propiedades optoelectrónicas y morfológicas de las capas de perovskita. Sin embargo, hasta ahora no se ha aclarado suficientemente por qué este aditivo tiene este efecto.
Ahora, por primera vez, un equipo dirigido por el profesor Antonio Abate ha dilucidado el papel químico del SnF2 en la solución precursora de la perovskita que es responsable de estas mejoras. La clave está en las propiedades químicas de los aniones fluoruro. El estaño se oxida fácilmente de Sn(II) a Sn(IV) y en esta forma crea defectos en la capa semiconductora. Los resultados del análisis de resonancia magnética nuclear mostraron ahora que los aniones fluoruro del SnF2 tienen una fuerte afinidad por el Sn(IV) y forman el compuesto SnF4. Utilizando la espectroscopia de fotoelectrones en BESSY II, el equipo pudo demostrar que el SnF4 muestra una menor tendencia a incorporarse a la estructura de la perovskita. Esto reduce significativamente el contenido de Sn(IV) en la película delgada. Por último, las mediciones de dispersión de rayos X de ángulo pequeño en BESSY II mostraron que el fluoruro influye positivamente en el proceso de nucleación en la solución precursora y, por tanto, mejora la cristalización.
"En pocas palabras, los aniones fluoruro se unen al Sn(IV) oxidado en solución, como SnF4. La reducida unión de este material a las especies similares a la perovskita impide su inclusión en la película de perovskita", afirma Jorge Pascual, investigador postdoctoral del grupo de Abate que estudia las perovskitas de haluro de estaño. "Además, el fluoruro mejora la estabilidad coloidal de las soluciones precursoras de perovskita de haluro de estaño, con las subunidades precursoras formando un preorden más uniforme, lo que conduce a un crecimiento más homogéneo de los cristales", explica Marion Flatken, que llevó a cabo la investigación como parte de su doctorado.
Estos resultados llegan en el momento oportuno. Sobre la base de este estudio, podría ser posible encontrar otros aditivos con los que se puedan mejorar aún más las propiedades de las células solares de perovskita sin plomo de forma selectiva.
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