Los defectos superficiales impulsan una recombinación lenta y una alta eficiencia en las células solares de perovskita – Physics World

La eficiencia notablemente alta de las células solares hechas de materiales llamados perovskitas ha desconcertado a los científicos durante casi 20 años. Ahora, investigadores de Forschungszentrum Jülich (FZJ) En Alemania dicen haber encontrado una explicación. Al estudiar la fotoluminiscencia de los materiales en un amplio rango dinámico, demostraron que los portadores de carga libres (electrones y huecos) en las células solares de perovskita se recombinan muy lentamente, aumentando la vida útil de los portadores y aumentando la eficiencia de las células. Su trabajo también reveló que los defectos superficiales en el material desempeñan un papel importante en la recombinación cuando se produce, conocimiento que podría ayudar a los científicos a aumentar aún más la eficiencia.

Las células solares generan electricidad cuando los fotones de la luz solar excitan electrones de una banda de valencia de menor energía en el material celular a una banda de conducción de mayor energía. Una vez que esto sucede, tanto los electrones como los huecos cargados positivamente que dejan pueden moverse libremente, creando una corriente eléctrica. El problema es que los electrones y huecos fotoinducidos acaban recombinándose y, cuando esto sucede, ya no contribuyen al flujo de corriente. Este proceso de recombinación es el principal factor de ineficiencia en las células solares.

Un importante desencadenante de la recombinación son los defectos que surgen naturalmente en los materiales de las células solares durante la fabricación. Los investigadores habían pensado anteriormente que los principales culpables eran defectos energéticos situados a medio camino entre las bandas de valencia y de conducción. "Esto se debe a que estos 'defectos profundos' son igualmente accesibles a los electrones excitados y a sus homólogos, los agujeros", explica Thomas Kirchartz, físico de la FZJ que dirigió el estudio.

Las células solares de perovskita son diferentes.

Kirchartz y sus colegas, sin embargo, demostraron que este no es el caso de las células solares hechas de perovskitas. Estos materiales tienen un ABX₃ estructura química (donde A es cesio y metilamonio (MA) o formamidinio (FA), B es plomo o estaño y X es cloro, bromo o yodo), y el equipo de FZJ demostró que para ellos, los defectos superficiales, es decir, los defectos localizados no en el medio de la banda prohibida, sino cerca de las bandas de valencia o de conducción, desempeñan un papel más importante en la recombinación.

El equipo obtuvo este resultado gracias a una nueva técnica de fotoluminiscencia que puede medir un rango más amplio de intensidades de luz con una mejor resolución. Este enfoque, posible mediante la superposición de señales amplificadas en diferentes grados, significa que pueden distinguir los procesos de pérdida causados ​​por defectos superficiales de aquellos causados ​​por defectos profundos, algo que no era posible en mediciones anteriores.

“En el pasado, se suponía que los defectos profundos (incluso si su densidad es baja) dominan la recombinación porque el modelo del oscilador armónico predice esto”, explica Kirchartz. "Sin embargo, se sabe que las perovskitas desobedecen este modelo, lo que significa que los electrones pueden acoplarse a algunos estados energéticamente distantes".

Al realizar sus mediciones en escalas de tiempo que van desde nanosegundos a 170 µs y en intensidades de luz que abarcan de nueve a 10 órdenes de magnitud, los investigadores encontraron que el tiempo de desintegración diferencial de los portadores de carga en sus muestras (Cs_0.05FA_0.73MA_0.22PBI_2.56Br_0.44 películas de perovskita de triple catión) obedece a una ley potencial. Esta es una fuerte evidencia de que su muestra tiene muy pocos defectos profundos y que los defectos superficiales dominan la recombinación, dicen. "La presencia de defectos superficiales sólo se había previsto teóricamente hasta ahora, pero casi nunca se pensó que serían tan importantes en este contexto", afirma Kirchartz.

Las células solares de perovskita alcanzan nuevos hitos en materia de estabilidad y eficiencia

Los investigadores esperan que su trabajo cambie la forma en que se analiza la recombinación en películas y dispositivos de perovskita. "Consideramos nuestro estudio como una contribución a la idea de explicar cómo realizar determinadas mediciones para obtener datos cuantitativos que puedan discriminar entre diferentes modelos", afirma Kirchartz. “Queremos alejarnos de la investigación comparativa que dice: 'Mi nueva muestra es mejor que las muestras anteriores; consulte los experimentos A, B y C'. En cambio, queremos que el análisis de datos sea más cuantitativo”.

De cara al futuro, al equipo de FZJ le gustaría combinar su enfoque con otro descrito recientemente por colegas de la Universidad de Cambridge, Reino Unido, que podría proporcionar información sobre el transporte y la recombinación de portadores de carga a partir de una única medición. "También queremos explorar cómo podemos obtener una única figura escalar de mérito para la recombinación a partir de desintegraciones aproximadas de la ley de potencias (por ejemplo, un número con una unidad que se correlaciona bien con una escala de 'bueno a malo')", dice Kirchartz. Mundo de la física. "Esto podría ser menos sencillo que en el caso de las desintegraciones exponenciales, pero aún así debería ser posible".

El estudio se publica en Nature Materials.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/shallow-defects-drive-slow-recombination-high-efficiency-in-perovskite-solar-cells/