La química de interfaces de precisión permite que las células solares de perovskita superen el 26 % de eficiencia
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Una colaboración internacional de investigación ha desarrollado una nueva estrategia molecular para controlar una de las interfaces más críticas de las células solares de perovskita. Las células solares resultantes alcanzaron una eficiencia de conversión energética del 26,19 % en la arquitectura n i p, además de mostrar una gran estabilidad operativa bajo iluminación prolongada y temperaturas elevadas. Los resultados se han publicado en la revista *Journal of the American Chemical Society*.
El trabajo aborda un reto persistente en la energía fotovoltaica de perovskita: el yoduro de plomo residual (PbI₂), que permanece en la superficie de la perovskita tras la formación de la película. Aunque cantidades moderadas de PbI₂ pueden resultar beneficiosas durante la cristalización, una distribución no homogénea en la interfaz final puede provocar variaciones locales en el potencial superficial, favorecer el atrapamiento de cargas y aumentar la recombinación no radiativa. Ahora, una colaboración internacional —en la que participan mi propio equipo, el Grupo de Ingeniería Optoelectrónica y de Materiales Robotizados del Helmholtz Zentrum Berlin, y el equipo de investigación del profesor Letian Dou de la Universidad de Purdue y la Universidad de Emory— ha desarrollado un nuevo enfoque para abordar este problema.
Hemos diseñado una nueva clase de ligandos moleculares bidentados que interactúan selectivamente con el PbI₂ residual a través de dos sitios de anclaje. A diferencia de las moléculas convencionales que se unen a través de un único punto de interacción, las nuevas moléculas reestructuran el PbI₂ residual en estructuras de coordinación de PbI₆ más estables y electrónicamente favorables, al tiempo que conservan el absorbedor de perovskita tridimensional subyacente. La molécula más eficaz, MeXT, generó un panorama electrónico significativamente más homogéneo en toda la superficie de la perovskita. Esto redujo el desorden interfacial y las pérdidas de tensión no radiativas, al tiempo que mejoró el transporte de los portadores de carga fotogenerados hacia la capa de transporte de huecos. El dispositivo más eficaz alcanzó una eficiencia del 26,19 %, con una tensión en circuito abierto de 1,198 V, un factor de llenado del 83,2 % y una densidad de corriente en cortocircuito de 26,28 mA cm⁻². El dispositivo también ofreció una eficiencia estabilizada del 25,65 %. Bajo estrés combinado de luz y calor a 75 °C, los dispositivos tratados conservaron más del 80 % de su eficiencia inicial tras 1 000 horas.
Conocimientos sobre el transporte de carga
Una contribución fundamental de mi equipo en el HZB fue la aplicación de mediciones avanzadas de fototensión superficial transitorias y resueltas espacialmente. Estas mediciones proporcionaron información directa sobre cómo el tratamiento molecular modifica la separación y la extracción de cargas en la interfaz. El tratamiento optimizado no se limitó a pasivar los defectos, sino que modificó la propia selectividad de carga en la interfaz. Mientras que las superficies insuficientemente tratadas mostraban indicios de acumulación y captura de electrones, el tratamiento bidentado optimizado suprimió estas vías de captura de electrones y favoreció en gran medida la acumulación y extracción de huecos hacia la capa de transporte de huecos. Las mediciones realizadas en apilamientos completos de perovskita, ligando y capa de transporte de huecos mostraron una respuesta de fotovoltaje positivo más rápida y sustancialmente más intensa con el mejor tratamiento, lo que concuerda con una mayor extracción de huecos y una menor recombinación interfacial.
El fotovoltaje superficial nos permitió observar lo que las mediciones de eficiencia convencionales por sí solas no pueden revelar. Pudimos distinguir directamente cómo los diferentes tratamientos moleculares modifican la selectividad de carga, la actividad de los defectos y la dinámica de extracción. Esto ayudó a identificar no solo si un tratamiento funciona, sino también por qué funciona y cuál es el punto óptimo para el dispositivo completo.
El estudio demuestra las ventajas de combinar el diseño molecular racional, la espectroscopia avanzada, el mapeo espacial, la modelización teórica y la ingeniería completa de dispositivos. El diseño químico y el desarrollo fotovoltaico se llevaron a cabo en estrecha colaboración con el grupo del profesor Letian Dou, con aportaciones teóricas adicionales del equipo del profesor Brett M. Savoie. Juntos, establecimos un principio de diseño más amplio para crear interfaces electrónicamente homogéneas mediante coordinación química selectiva, en lugar de un tratamiento superficial inespecífico.
Este trabajo también apunta hacia la siguiente etapa de la investigación fotovoltaica en el HZB: la optimización autónoma de materiales y dispositivos. En los próximos tres meses, se instalará en HySPRINT una nueva línea totalmente robotizada para la preparación, caracterización y optimización de células solares. La plataforma combinará la fabricación automatizada de dispositivos con una caracterización optoelectrónica rápida y una optimización basada en datos. El objetivo es acelerar la optimización experimental en aproximadamente un factor de diez, al tiempo que se obtiene una comprensión física más profunda de las relaciones entre el procesamiento, las propiedades de la interfaz y el rendimiento final del dispositivo.
El siguiente paso consiste en vincular directamente este tipo de comprensión fundamental de las interfaces con la experimentación autónoma. En lugar de probar los materiales mediante largas campañas de optimización secuenciales, queremos que los sistemas robóticos preparen los dispositivos, midan los parámetros físicos relevantes y utilicen los resultados para decidir qué experimento debe realizarse a continuación. Junto con mi equipo del HZB, nos estamos preparando para compartir las primeras fotografías y vídeos del nuevo laboratorio robótico en septiembre y octubre de 2026, lo que marcará el inicio de una nueva fase en el descubrimiento y la optimización automatizados de materiales e interfaces fotovoltaicos.
Autor: Dr. Artem Musiienko, jefe de grupo en el HZB
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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