La ilustración de la portada de Advanced Materials muestra la superficie de la estructura de perovskita de haluro modificada por un gran catión orgánico. El catión se difunde a través de la película delgada para reconstruir la estructura de la superficie. Crédito: Materiales Avanzados
Un nuevo tipo de tecnología solar se ha mostrado prometedor en los últimos años. Las células solares de haluro de perovskita son eficientes y económicas para generar energía eléctrica, dos ingredientes necesarios para cualquier tecnología solar exitosa del futuro. Pero los nuevos materiales de las celdas solares también deben igualar la estabilidad de las celdas solares basadas en silicio, que ofrecen más de 25 años de confiabilidad.
En una investigación recientemente publicada, un equipo dirigido por Juan-Pablo Correa-Baena, profesor asistente en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Georgia Tech, muestra que las células solares de haluro de perovskita son menos estables de lo que uno no pensaba antes. Su trabajo revela la inestabilidad térmica que ocurre en las capas de interfaz de las células, pero también ofrece una ruta hacia la confiabilidad y eficiencia de la tecnología de perovskita de haluro solar. Su investigación, publicada en la portada de la revista Materiales avanzados en diciembre de 2022, tiene implicaciones inmediatas para académicos y profesionales de la industria que trabajan con perovskitas en fotovoltaica, un campo relacionado con las corrientes eléctricas generadas por la luz solar.
Las células solares de perovskita de haluro de plomo prometen una conversión superior de la luz solar en energía eléctrica. Actualmente, la estrategia más común para lograr una alta eficiencia de conversión de estas células es tratar sus superficies con grandes iones cargados positivamente llamados cationes.
Estos cationes son demasiado grandes para caber en la red de escala atómica de la perovskita y, al aterrizar en el cristal de perovskita, cambian la estructura del material en la interfaz donde se depositan. Los defectos a escala atómica resultantes limitan la eficiencia de la extracción de corriente de la celda solar. A pesar de la conciencia de estos cambios estructurales, la investigación sobre la estabilidad catiónica posterior a la deposición es limitada, lo que deja un vacío en la comprensión de un proceso que podría afectar la viabilidad a largo plazo de las células solares en el extremo inferior del espectro de haluros de perovskita.
“Nuestra preocupación era que durante largos períodos de funcionamiento de las células solares, continuaría la reconstrucción de las interfaces”, dijo Correa-Baena. “Así que nos propusimos comprender y demostrar cómo se desarrolla este proceso con el tiempo”.
Para llevar a cabo el experimento, el equipo creó un dispositivo solar de ejemplo utilizando películas típicas de perovskita. El dispositivo cuenta con ocho celdas solares independientes, lo que permite a los investigadores experimentar y generar datos basados en el rendimiento de cada celda. Estudiaron el rendimiento de las células, con y sin tratamiento superficial catiónico, y estudiaron las interfaces modificadas con cationes de cada célula antes y después de un estrés térmico prolongado mediante técnicas de caracterización de rayos X basadas en sincrotrón.
Primero, los investigadores expusieron las muestras pretratadas a 100 grados[{” attribute=””>Celsius for 40 minutes, and then measured their changes in chemical composition using X-ray photoelectron spectroscopy. They also used another type of X-ray technology to investigate precisely what type of crystal structures form on the film’s surface. Combining the information from the two tools, the researchers could visualize how the cations diffuse into the lattice and how the interface structure changes when exposed to heat.
Next, to understand how the cation-induced structural changes impact solar cell performance, the researchers employed excitation correlation spectroscopy in collaboration with Carlos Silva, professor of physics and chemistry at Georgia Tech. The technique exposes the solar cell samples to very fast pulses of light and detects the intensity of light emitted from the film after each pulse to understand how energy from light is lost. The measurements allow the researchers to understand what kinds of surface defects are detrimental to performance.
Finally, the team correlated the changes in structure and optoelectronic properties with the differences in the solar cells’ efficiencies. They also studied the changes induced by high temperatures in two of the most used cations and observed the differences in dynamics at their interfaces.
“Our work revealed that there is concerning instability introduced by treatment with certain cations,” said Carlo Perini, a research scientist in Correa-Baena’s lab and the first author of the paper. “But the good news is that, with proper engineering of the interface layer, we will see enhanced stability of this technology in the future.”
The researchers learned that the surfaces of metal halide perovskite films treated with organic cations keep evolving in structure and composition under thermal stress. They saw that the resulting atomic-scale changes at the interface can cause a meaningful loss in power conversion efficiency in solar cells. In addition, they found that the speed of these changes depends on the type of cations used, suggesting that stable interfaces might be within reach with adequate engineering of the molecules.
“We hope this work will compel researchers to test these interfaces at high temperatures and seek solutions to the problem of instability,” Correa-Baena said. “This work should point scientists in the right direction, to an area where they can focus in order to build more efficient and stable solar technologies.”
Reference: “Interface Reconstruction from Ruddlesden–Popper Structures Impacts Stability in Lead Halide Perovskite Solar Cells” by Carlo Andrea Riccardo Perini, Esteban Rojas-Gatjens, Magdalena Ravello, Andrés-Felipe Castro-Mendez, Juanita Hidalgo, Yu An, Sanggyun Kim, Barry Lai, Ruipeng Li, Carlos Silva-Acuña, Juan-Pablo Correa-Baena, 17 October 2022, Advanced Materials.
DOI: 10.1002/adma.202204726
