Fotovoltaica: el ajuste molecular aumenta la eficiencia de las células solares en tándem
Investigadores de la LMU logran una eficiencia del 31,4 por ciento en células en tándem de perovskita y silicio con un diseño molecular específico
Las células solares en tándem de silicio perovskita se consideran una tecnología clave para la energía fotovoltaica. Su estructura permite aprovechar la luz solar con más eficacia que las células de silicio convencionales: Mientras que la capa superior de perovskita absorbe la porción azul de alta energía de la luz, la capa subyacente de silicio capta la gama roja. La interacción entre ambos materiales permite un rendimiento lumínico mucho mayor.
Un equipo internacional de investigación dirigido por el Dr. Erkan Aydin, jefe del grupo de investigación de la LMU, ha avanzado notablemente en este enfoque. En la revista científica Joule, los investigadores informan sobre la primera célula en tándem de perovskita y silicio fabricada íntegramente en la región de Múnich. Los socios colaboradores son la Southern University of Science and Technology (SUSTech) de Shenzhen (China), la City University de Hong Kong y la King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) de Arabia Saudí.
Un nuevo enfoque del diseño molecular
El elemento central de las células en tándem es la monocapa autoensamblada (SAM). Esta capa molecular, de unos pocos nanómetros de espesor, garantiza que las cargas eléctricas se transporten eficazmente a las capas de recogida de carga. Sin embargo, las SAM convencionales con cadenas alquílicas simples tienden a agregarse de forma irregular en las superficies piramidales de silicio. Esto limita el rendimiento de las células.
Para resolver este problema, los investigadores desarrollaron una molécula especial. Su estructura especial mejora el transporte de cargas incluso en superficies rugosas y crea así la base de una interfaz estable.
Durante los análisis, el equipo hizo una observación sorprendente: un precursor de SAM disponible en el mercado contenía pequeñas cantidades de impurezas que contenían bromo. Estas impurezas resultaron ser extremadamente útiles, ya que neutralizan los defectos de la interfaz y aumentan así la eficiencia de las células solares.
"El hecho de que un cambio químico tan pequeño pueda tener un efecto tan grande nos sorprendió", explica Aydin, director del proyecto. "Este hallazgo demuestra lo crucial que es la interacción precisa de los materiales a nivel molecular para el rendimiento energético de los nuevos tipos de células solares".
Los investigadores combinaron moléculas bromadas y no bromadas para aprovechar los efectos positivos del bromo sin comprometer la estabilidad química. Su nueva estructura SAM permite un empaquetamiento más denso de las moléculas y una mejor pasivación de la interfaz, lo que a su vez se traduce en una mayor eficiencia, estabilidad y extracción de carga.
Eficiencia del 31,4
Gracias a este control preciso a nivel molecular, el equipo logró una eficiencia celular del 31,4%. Esto convierte al equipo en uno de los principales laboratorios del mundo en el desarrollo de células en tándem de silicio perovskita de alto rendimiento. Es especialmente destacable que estos valores se hayan alcanzado en células de fondo de silicio cristalino de relevancia industrial. Además del aumento de la eficiencia, las células también mostraron una estabilidad mejorada durante periodos de tiempo más largos. El empaquetamiento molecular más denso de las nuevas SAM protege la sensible interfaz de daños a nivel molecular.
"Como siguiente paso, queremos demostrar que nuestras células en tándem no sólo demuestran su rendimiento en el laboratorio, sino también en pruebas de envejecimiento acelerado que aporten información sobre su comportamiento en condiciones ambientales reales", afirma Aydin. "Al mismo tiempo, estamos investigando cómo puede adaptarse la tecnología para su uso en viajes espaciales, especialmente para satélites en órbitas terrestres bajas". El interés por las células solares especialmente ligeras, de alto rendimiento y resistentes a la radiación está creciendo rápidamente en este campo en particular.
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Publicación original
Jian Huang, Letian Zhang, Cem Yilmaz, Geping Qu, Ido Zemer, Rik Hooijer, Siyuan Cai, Ali Buyruk, Hao Zhu, Meriem Bouraoui, Achim Hartschuh, Ryota Mishima, Kenji Yamamoto, Caner Deger, Ilhan Yavuz, Alex K.-Y. Jen, Esma Ugur, Stefaan De Wolf, Igal Levine, Zong-Xiang Xu, Erkan Aydin; "Enhanced charge extraction in textured perovskite-silicon tandem solar cells via molecular contact functionalization"; Joule
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