Los científicos de la Universidad Northwestern han desarrollado una nueva capa protectora que extiende significativamente la vida útil de las células solares de perovskita, haciéndolas más prácticas para aplicaciones fuera del laboratorio.
Aunque las células solares de perovskita son más eficientes y menos costosas que las células solares de silicio tradicionales, hasta ahora las perovskitas se han visto limitadas por su falta de estabilidad a largo plazo. Normalmente, las células solares de perovskita utilizan una capa de recubrimiento a base de amonio para aumentar la eficiencia. Aunque son eficaces, los sustratos a base de amonio se degradan bajo tensiones ambientales como el calor y la humedad.
Los investigadores del Noroeste han desarrollado ahora una capa aún más fuerte, basada en amidinio.
En las pruebas, el nuevo revestimiento resultó 10 veces más resistente a la corrosión que los revestimientos convencionales a base de amonio. Aún mejor: células T triples recubiertas de amidinio90 Vida útil: el tiempo que tarda la eficiencia de una celda en disminuir al 90 % de su valor inicial cuando se expone a condiciones adversas.
La investigación se publicará en la revista el viernes (22 de noviembre). ciencia.
“El campo ha estado trabajando en la estabilidad de las células solares de perovskita durante mucho tiempo”, dijo Bin Chen de Northwestern, quien codirigió la investigación. “Hasta ahora, la mayoría de los informes se han centrado en mejorar la estabilidad del material de perovskita, ignorando las capas protectoras. Al mejorar la capa protectora, pudimos aumentar la eficiencia general de la célula solar”.
“Este trabajo aborda una barrera crítica para la adopción generalizada de células solares de perovskita: la estabilidad en condiciones del mundo real”, dijo Mercori Kanatzidis de Northwestern, quien codirigió la investigación. “Al fortalecer químicamente las capas protectoras, hemos mejorado significativamente la durabilidad de estas células sin comprometer su eficiencia excepcional, acercándonos a una alternativa práctica y de bajo costo a la energía fotovoltaica basada en silicio”.
Chen es profesor asociado de investigación de química en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern. Es profesor de Química Ted Sargent, Lynn Hopton Davis y Greg Davis Weinberg y profesor de Ingeniería Eléctrica e Informática en la Escuela de Ingeniería McCormick y en la Escuela Kanatzidis, Charles E. y Emma H. Morrison codirigió la investigación con un profesor de química. Weinberg. Young, becario postdoctoral coasesorado por Sargent y Kanatzidis, es el primer autor del artículo.
La perovskita como alternativa al silicio
El silicio, que se utiliza desde hace décadas, es el material más utilizado para las capas absorbentes de luz en las células solares. Aunque el silicio es duradero y fiable, su fabricación es costosa y ha alcanzado su máxima eficiencia. En busca de una célula solar de bajo coste y alta eficiencia, los investigadores han comenzado recientemente a explorar las perovskitas, una familia de compuestos cristalinos.
Aunque parece prometedora como alternativa rentable al silicio, la vida útil de las perovskitas es relativamente corta. La exposición prolongada a la luz solar, las fluctuaciones extremas de temperatura y la humedad pueden hacer que las células solares de perovskita se degraden con el tiempo.
Para superar este desafío, los investigadores agregaron ligandos de amidinio, moléculas estables que pueden interactuar con la perovskita para proporcionar una pasivación duradera de los defectos y efectos protectores. Las moléculas a base de amonio tienen un átomo de nitrógeno rodeado por tres átomos de hidrógeno y un grupo que contiene carbono, mientras que las moléculas a base de amidinio constan de un átomo de carbono central unido a dos grupos amino. Debido a que su estructura permite que los electrones se distribuyan uniformemente, las moléculas de amidinio son más resistentes a las condiciones adversas.
“Las células solares de perovskita sofisticadas suelen tener un ligando de amonio como capa de pasivación”, dijo Yang. “Pero el amonio tiende a descomponerse bajo estrés térmico. Hicimos algo de química para convertir el amonio inestable en amidinio más estable”.
Los investigadores lograron esta transformación mediante un proceso conocido como amidinación, en el que el grupo amonio se reemplaza por un grupo amidinio más estable. Esta innovación evita que las células de perovskita se descompongan con el tiempo, especialmente cuando se exponen a calor extremo.
Resultados récord
La célula solar resultante logró una impresionante eficiencia del 26,3%, lo que significa que convirtió con éxito el 26,3% de la luz solar absorbida en electricidad. La célula solar recubierta conservó el 90% de su eficiencia inicial después de 1.100 horas de pruebas en duras condiciones, lo que demuestra una T90 Vida útil tres veces más larga que antes cuando se expone al calor y la luz.
Estos experimentos marcan el último ejemplo del rendimiento de las células solares de perovskita avanzadas del laboratorio Sargent. En 2022, el equipo de Sargent desarrolló una célula solar de perovskita que batió récords de eficiencia energética y voltaje. En 2023, su equipo introdujo una célula solar de perovskita con estructura invertida, que también mejoró su eficiencia energética. Y a principios de este año, el grupo de Sargent incorporó cristales líquidos para reducir los defectos en las películas de perovskita, lo que mejoró el rendimiento del dispositivo.
“Las células solares basadas en perovskita tienen el potencial de contribuir a la descarbonización del suministro de energía a medida que refinamos sus diseños, logramos la convergencia de rendimiento y durabilidad y escalamos los dispositivos”, dijo Sargent, quien dirige el Instituto Paula M. Triens. durabilidad y resistencia. “La principal barrera para la comercialización de células solares de perovskita es su estabilidad a largo plazo. Pero debido a su ventaja de varias décadas, el silicio todavía tiene una ventaja en algunas áreas con estabilidad. Estamos trabajando para cerrar esa brecha”.
Esta investigación está directamente relacionada con el pilar Generar, uno de los seis pilares de la descarbonización del Instituto Triance. Como parte del Generate Pillar, Northwest se compromete a crear una nueva clase de generación de energía solar con un enfoque en células solares de múltiples uniones de alta eficiencia y materiales de células solares de próxima generación. Kanatzidis es copresidente docente del pilar y Chen es el líder de implementación.