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Un breve informe de progreso sobre las células solares de perovskita de alta eficiencia

Resumen

Ante la crisis energética y medioambiental cada vez más grave en el mundo actual, el desarrollo de las energías renovables ha atraído cada vez más la atención de todos los países. La energía solar como energía abundante y barata es una de las fuentes de energía renovable más prometedoras. Si bien las células solares de alto rendimiento se han desarrollado bien en las últimas dos décadas, el alto costo del módulo dificulta en gran medida el despliegue amplio de dispositivos fotovoltaicos. En los últimos 10 años, esta demanda urgente de células solares rentables facilita enormemente la investigación de las células solares. Este artículo revisa el desarrollo reciente de tecnologías de células solares rentables y de alta eficiencia. Este informe cubre las células solares de perovskita de bajo costo y alta eficiencia. También se presentan el desarrollo y los resultados de vanguardia de las tecnologías de células solares de perovskita.

Introducción

Aproximadamente el 85% de las necesidades energéticas del mundo se satisfacen actualmente con combustibles fósiles agotables que tienen consecuencias perjudiciales para la salud humana y el medio ambiente. Además, se prevé que la demanda mundial de energía se duplique para 2050 [1].

Por lo tanto, el desarrollo de energías renovables, como la energía eólica, la energía del agua y la energía solar, se convierte en una necesidad inminente. La capacidad de generación de energía basada en energías renovables se estima en 128 GW en 2014, de los cuales el 37% es energía eólica, casi un tercio de energía solar y más de una cuarta parte de energía hidroeléctrica (Fig. 1 a). Esto representó más del 45% de las adiciones de capacidad de generación de energía mundial en 2014, en consonancia con la tendencia general ascendente de los últimos años.

un Adiciones de capacidad de energía de base renovable mundial por tipo y porcentaje de las adiciones de capacidad total [60]. b Evolución rápida del PCE de las células solares de perovskita de 2009 a 2016

Debido a la abundancia, el bajo costo y el respeto al medio ambiente, la energía solar atrae cada vez más la atención de todo el mundo, lo que hace que el rápido desarrollo de la investigación de células solares en los últimos años.

En general, una clasificación de uso común divide las diversas tecnologías fotovoltaicas (tanto en la etapa comercial como en la de I + D) en tres generaciones [2]:primera generación, G1:basada en obleas; principalmente mono c-Si y mc-Si; segunda generación, G2:película fina; a-Si, CdTe, CIGS, CuGaSe; tercera generación, G3:fotovoltaica orgánica y de unión múltiple (OPV), células solares sensibilizadas por colorante (DSSC) y células solares basadas en puntos cuánticos, así como otros nanomateriales.

El desarrollo de las células solares de tres generaciones produjo una gran variedad de células solares, como las células solares de Si, las células solares III-V, las células solares de perovskita (PSC), las células solares de película delgada, las células solares sensibilizadas por colorante y la energía solar orgánica. células. Sin embargo, aún no se han demostrado células solares de tercera generación prácticas, de bajo costo y alta eficiencia. Las células solares de Si están bien desarrolladas y maduras, pero hay poco margen de mejora adicional [3-6]. Las células solares III – V tienen una eficiencia muy alta; sin embargo, su debilidad es el alto costo, que limita sus aplicaciones [7-9]. Las células solares de punto cuántico han recibido una atención significativa debido a su bajo costo y alta eficiencia, pero los dispositivos más eficientes se han preparado con metales pesados ​​tóxicos de Cd o Pb [10-12]. Las perovskitas de haluro han surgido recientemente como materiales prometedores para células solares de bajo costo y alta eficiencia. A medida que la tecnología de células solares de perovskita se vuelve cada vez más madura, la eficiencia de las células solares basadas en perovskita ha aumentado rápidamente, del 3,8% en 2009 al 22,1% en 2016 [13-16]. Sin embargo, los problemas de estabilidad aún requieren más estudios.

Para dar una actualización del campo, este artículo revisa el desarrollo reciente de los PSC de alta eficiencia. Este informe presenta brevemente la historia de las PSC y luego se centra en el progreso clave realizado en las células solares de perovskita de alta eficiencia. También se discutirán los esfuerzos recientes sobre la estabilidad de las células solares de perovskita. Al final del informe, también ofrecemos una breve introducción a la ingeniería de la interfaz.

Principio e historia de los SC de perovskita

Los PSC se han convertido recientemente en uno de los puntos calientes debido a su bajo costo de preparación y su alta eficiencia de conversión en los campos de la investigación de células solares. Y es considerado como un material de gran potencial por su superioridad (en comparación con otros materiales) que puede ayudar a la perovskita con la usurpación final del material celular reinante.

En 1991, inspirados por el principio de la fotosíntesis, O'Regan y Gratzel informaron de una construcción histórica de célula solar llamada célula solar sensibilizada por colorante, que puede convertir la energía de la luz solar en energía eléctrica con una eficiencia de aproximadamente el 7% [17]. Al presentar numerosas ventajas, como abundancia de materias primas, procesamiento fácil y bajo costo en comparación con las células solares convencionales, estas nuevas células solares se investigaron popularmente rápidamente después de su aparición. Y es este trabajo el que inspiró la aparición de las PSC, una DSSC con compuestos de perovskita.

La perovskita originalmente se refiere a un tipo de óxidos cerámicos con fórmula molecular general ABY 3 descubierto por el mineralogista alemán Gustav Rose en 1839. Se llamó "perovskita" porque es un titanato de calcio (CaTiO 3 ) existen compuestos en el mineral de calcio y titanio [18]. La estructura cristalina de una perovskita se muestra en la Fig. 2 a. En 2009, Miyasaka y sus colegas utilizaron por primera vez materiales estructurados de perovskita en células solares. Reemplazaron creativamente el pigmento de tinte en DSSC con dos perovskitas híbridas orgánicas-inorgánicas basadas en haluros, CH 3 NH 3 PbBr 3 y CH 3 NH 3 PbI 3 . Y, finalmente, obtuvieron una eficiencia de conversión de energía (PCE) relativamente no considerable de 3,13 y 3,81%, respectivamente [13].

un Estructura cristalina de perovskita [22]. b Diagrama esquemático del dispositivo general [23]. c Imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) de sección transversal de una célula solar de perovskita meso superestructurada ( barra de escala es 500 nm) [22]. d Imágenes SEM de sección transversal de células solares planas normales de perovskita con la presencia de un HTL y un ETL [22]

Sin embargo, el trabajo no ganó mucha atención debido a la baja eficiencia y la escasa estabilidad, que resultó de una capa de transporte de huecos (HTL) con electrolito líquido.

Un salto evolutivo ocurrió en 2012 cuando Kim, Gratzel y Park et al. [14] utilizó absorbentes de perovskita como capa fotoactiva primaria para fabricar PSC meso superestructuradas de estado sólido. Spiro-MeOTAD y mp-TiO 2 se utilizaron como materiales de transporte de huecos y de transporte de electrones (HTM / ETM), respectivamente, en su trabajo y dieron como resultado una eficiencia relativamente alta del 9,7% para la primera célula solar de heterounión mesoscópica de estado sólido basada en perovskita.

Después de este avance, la investigación de las PSC se calentó gradualmente en la investigación fotovoltaica (PV) en los años siguientes. Finalmente, la eficiencia de los PSC se elevó al 22,1% a principios de 2016 [1]. Dado que el PCE teórico máximo de los PSC que emplean CH 3 NH 3 PbI 3− x Cl x es del 31,4%, todavía hay suficiente espacio para el desarrollo [19].

La Figura 2b muestra la configuración general de los PSC, que generalmente comprende un sustrato de óxido de indio dopado con estaño (ITO) / óxido de estaño dopado con flúor (FTO), un electrodo metálico, una capa fotoactiva de perovskita, junto con las capas de transporte de carga necesarias (es decir, una capa de transporte de huecos (HTL) [20] y una capa de transporte de electrones (ETL) [21]) [22, 23]. La Figura 2 c, d muestra dos arquitecturas de dispositivos principales:células solares de perovskita meso-superestructuradas (MPSC) [24], que incorporan una capa mesoporosa, y células solares de perovskita planas (PPSC) en las que todas las capas son planas [25].

El principio de funcionamiento de estos PSC se puede resumir brevemente de las siguientes formas:la capa de perovskita absorbe la luz incidente, generando electrones y huecos, que son extraídos y transportados por ETM y HTM, respectivamente. Estos portadores de carga son finalmente recogidos por electrodos que forman PSC [23].

Células solares de perovskita de alta eficiencia

Intercambio intramolecular

En junio de 2015, Woon Seok Yang y sus colegas informaron sobre un enfoque para depositar FAPbI 3 de alta calidad películas con las que fabricaron FAPbI 3 PSC con un PCE del 20,1% bajo iluminaciones de pleno sol AM 1,5 G [26].

En el camino para mejorar la eficiencia de las células solares, la deposición de películas densas y uniformes es fundamental para las propiedades optoelectrónicas de las películas de perovskita y es un tema de investigación importante de los PSC altamente eficientes. Woon Seok Yang y sus colegas informan sobre un método para depositar FAPbI 3 de alta calidad películas, que involucran a FAPbI 3 cristalización por intercambio intramolecular directo de moléculas de dimetilsulfóxido (DMSO) intercaladas en PbI 2 con yoduro de formamidinio (Fig. 3). Este proceso produce FAPbI 3 películas con orientación cristalográfica preferida (111), microestructuras densas de grano grande y superficies planas sin PbI 2 residual . Usando películas preparadas con esta técnica, fabricaron FAPbI 3 PSC basados ​​en una eficiencia máxima de conversión de energía superior al 20%.

PbI 2 formación de complejos y difracción de rayos X. un Esquemas de FAPbI 3 cristalización de perovskita que implica el intercambio intramolecular directo de moléculas de DMSO intercaladas en PbI 2 con yoduro de formamidinio (FAI). Las moléculas de DMSO están intercaladas entre los bordes que comparten [PbI 6 ] capas octaédricas. b Histograma de eficiencias de células solares para cada 66 FAPbI 3 -Células basadas en IEP y procesos convencionales [26]

Células solares de perovskita triple-catiónica que contienen cesio

Al agregar cesio inorgánico a las composiciones de perovskita de triple catión, Michael Saliba y sus colegas demostraron una célula solar de perovskita que no solo posee PCE más altos del 21,1%, sino que también es más estable, contiene menos impurezas de fase y es menos sensible a las condiciones de procesamiento [27, 28].

Investigaron perovskitas de triple catión de la forma genérica "Cs x (MA 0.17 FA 0.83 ) (100− x ) Pb (I 0.83 Br 0,17 ) 3 , ”Lo que demuestra que el uso de los tres cationes, Cs, MA y FA, ​​proporciona una versatilidad adicional en el ajuste fino de películas de perovskita de alta calidad (Fig. 4). Produjeron PCE estabilizados superiores al 21 y 18% después de 250 h en condiciones operativas. Aún más, las películas de perovskita de triple catión son térmicamente más estables y menos afectadas por las fluctuaciones de las variables circundantes, como la temperatura, los vapores de solventes o los protocolos de calentamiento. Esta solidez es importante para la reproducibilidad, que es uno de los requisitos clave para la fabricación rentable a gran escala de PSC.

Imágenes SEM transversales de a Cs 0 M, b Cs 5 M y c dispositivos Cs5M de bajo aumento [27]

Células solares de perovskita sin banda graduada

El 7 de noviembre de 2016, científicos de la Universidad de California, Berkeley y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley informaron sobre un nuevo diseño que ya logró una eficiencia promedio en estado estable del 18,4%, con una altura del 21,7% y una eficiencia máxima del 26% [29 –31]. Utilizan una capa de un solo átomo de espesor de nitruro de boro hexagonal para combinar dos materiales en una célula solar en tándem y, finalmente, obtienen una alta eficiencia. Las composiciones de los materiales de perovskita son las moléculas orgánicas metilo y amoníaco, mientras que una contiene los metales estaño y yodo, mientras que la otra contiene plomo y yodo dopado con bromo. El primero está sintonizado para absorber preferentemente luz con una energía de 1 eV —infrarroja o energía térmica— mientras que el segundo absorbe fotones de energía de 2 eV, o un color ámbar. Antes de este intento, la fusión de dos materiales de perovskita fracasó porque los materiales degradan el rendimiento electrónico del otro. Esta nueva forma de combinar dos materiales de células solares de perovskita en una célula solar de "banda prohibida graduada" demostró resultados emocionantes. La célula solar absorbe casi todo el espectro de luz visible. Esto es muy beneficioso para mejorar la eficiencia. La estructura se muestra en la Fig. 5. Descubrieron que las células recién iluminadas tienden a tener un PCE más alto que las células que se han iluminado durante más de unos pocos minutos. Por ejemplo, para una celda de perovskita de banda prohibida determinada, el PCE está entre el 25 y el 26% en los primeros 2 minutos de iluminación, mientras que la celda alcanza un "estado estable" con un PCE estable del 20,8% después de aproximadamente 5 min. Este resultado indica que las células solares basadas en perovskita tienen características de rendimiento dependientes del tiempo. La medición de 40 células de perovskita con banda prohibida graduada demostró que el PCE en estado estacionario promedio en todos los dispositivos es del 18,4%, mientras que la celda con banda prohibida con mejor grado en el estado estacionario exhibió una PCE del 21,7%.

Imágenes esquemáticas y SEM de corte transversal de la célula de perovskita con monocapa integral h-BN y aerogel de grafeno. un Esquema de una celda solar de perovskita con banda prohibida escalonada. El nitruro de galio (GaN), el nitruro de boro hexagonal monocapa (h-BN) y el aerogel de grafeno (GA) son componentes clave de la arquitectura celular de alta eficiencia. b Imagen SEM transversal de un dispositivo de perovskita representativo. La división entre las capas de perovskita y la monocapa h-BN no es visible en esta imagen SEM. Las líneas discontinuas Indique la ubicación aproximada de las capas de perovskita y la monocapa h-BN como guía para el ojo. La ubicación de las capas de perovskita y la monocapa h-BN se extrae del análisis EDAX relacionado. Espesor del CH 3 NH 3 SnI 3 capa es de 150 nm y la del CH 3 NH_3PbI 3− x Br x es de 300 nm. Barra de escala , 200 millas náuticas [29]

Estabilidad de las células solares de perovskita

En los últimos años, la eficiencia récord de los PSC se ha actualizado del 9,7 al 22,1%. Sin embargo, la escasa estabilidad del dispositivo a largo plazo de los PSC sigue siendo un gran desafío para los PSC, que deciden si los logros emocionantes se pueden transferir del laboratorio a la industria y las aplicaciones al aire libre. Por lo tanto, la estabilidad a largo plazo es un tema que debe abordarse con urgencia para los PSC. Un gran número de personas han mostrado interés en el tema de la estabilidad y han dado opiniones orientadoras sobre cómo mejorar la estabilidad [32-44].

Múltiples informes han sugerido que la humedad y el oxígeno, la luz ultravioleta, el procesamiento de la solución y el estrés térmico son cuatro factores clave que afectan la estabilidad de los PSC. La degradación observada (a veces rápida) ocurre cuando los dispositivos están expuestos a esos factores ambientales [22, 32, 45, 46].

Guangda Niu y sus colegas [32] expresaron sus opiniones de que para modular la estabilidad de las PSC, se deben tener en cuenta muchos factores, incluida la composición y el diseño de la estructura cristalina de la perovskita; la preparación de la capa HTM y los materiales de los electrodos; el método de fabricación de película delgada, ingeniería interfacial y métodos de encapsulación (encapsulación multicapa o encapsulación de casco); y la tecnología del módulo. Su trabajo verificó que el oxígeno, junto con la humedad, podría conducir a la degradación irreversible del CH 3 NH 3 PbI 3 que siempre se emplea como sensibilizador en los PSC. Exponen TiO 2 / CH 3 NH 3 PbI 3 película al aire con una humedad del 60% a 35 ° C durante 18 h, y luego, la absorción entre 530 y 800 nm disminuyó considerablemente (Fig. 6 d).

un Vía de descomposición propuesta del CH 3 NH 3 PbI 3 en presencia de una molécula de agua. El producto principal de esta vía es PbI 2 [48]. b Mediciones de absorbancia normalizadas (tomadas a 410 nm) para CH 3 NH 3 PbI 3 películas expuestas a diferente humedad relativa [49]. c Espectros PDS para CH 3 NH 3 PbI 3 películas antes (estado inicial) y después de la exposición a una humedad relativa en el rango de 30 a 40% durante diferentes momentos. Esto indica claramente una reducción significativa en la absorción en el rango de 1,5 a 2,5 eV después de la exposición a la humedad [1]. d Degradación del CH 3 NH 3 PbI 3 en atmósfera de humedad y aire. Espectros de absorción UV-vis de TiO 2 / CH 3 NH 3 PbI 3 película antes y después de la degradación. El recuadro es una fotografía de CH3NH3I expuesta a diferentes condiciones:(1) CH 3 NH 3 Expuesto al argón y sin radiación ultravioleta; (2) CH 3 NH 3 Me expuse al argón y con radiación ultravioleta; (3) CH 3 NH 3 Me expuse al aire y con radiación ultravioleta; y (4) CH 3 NH 3 Me expuse al aire y sin radiación ultravioleta [32]

Especialmente, la humedad es un factor indispensable cuando se realiza una investigación experimental sobre el tema de la estabilidad.

El trabajo dirigido por Kwon et al. muestra que la naturaleza higroscópica de las sales de amina se debe al origen de la inestabilidad de la humedad [47]. La Figura 6 a muestra el proceso probable de CH 3 NH 3 PbI 3 descomposición que fue mostrada por Frost et al. [48]. El proceso indica que HI y MA son solubles en agua, lo que conduce directamente a la degradación irreversible de la capa de perovskita.

Yang y col. investigó este proceso de degradación realizando mediciones in situ de absorbancia y difracción de rayos X de incidencia rasante (GIXRD) [49]. Para hacer un contraste válido en la degradación, controlan cuidadosamente la humedad relativa (RH) en la que se midieron las películas. La Figura 6b muestra el resultado de su investigación sobre la influencia de la HR en la degradación de la película. La absorción se redujo a la mitad de su valor original en solo 4 h para el caso del 98% de HR, mientras que esto requeriría una extrapolación de 10,000 h de la curva de degradación para una baja HR del 20%. El resultado indica, como era de esperar, que los valores de HR más altos provocan una reducción más rápida en la absorción de la película que una HR baja. Además, otro experimento demuestra que los gases portadores variados, N 2 o el aire no provocó cambios significativos en la degradación de la absorbancia, lo que indica que la principal causa de degradación en la película de perovskita, en una atmósfera normal, es la presencia de humedad.

En 2014, De Wolf et al. utilizó otra técnica poderosa, la espectroscopia de deflexión fototérmica (PDS), para medir la descomposición inducida por la humedad del CH 3 NH 3 PbI 3 [50]. Midieron los espectros PDS de CH 3 NH 3 PbI 3 capas después de la exposición al aire ambiente con 30–40% de humedad relativa durante 1 y 20 h, respectivamente. La figura 6c muestra que la absortancia entre energías de fotones de 1,5 y 2,5 eV cae en dos órdenes de magnitud después de la exposición a la humedad durante 20 h. Además, el borde de absorción que se produce a 1,57 eV en su estado inicial cambia a 2,3 eV, una energía correspondiente a la banda prohibida de PbI 2 [51], que indican que CH 3 NH 3 PbI 3 puede descomponerse en PbI 2 en un ambiente húmedo debido a la disolución de CH 3 desordenado NH 3 Yo [35, 52].

Se han investigado muchos métodos para mejorar la estabilidad de las PSC en los últimos años. Xin Wang y col. desarrolló con éxito un director ejecutivo x procesado con una solución simple (x =1,87) ETL a baja temperatura. Según su trabajo, CeO x Los dispositivos basados ​​en agua exhiben una estabilidad superior bajo remojo ligero en comparación con TiO 2 PSC basados ​​en [53]. Zhiping Wang y col. presentó el primer estudio de estabilidad a largo plazo de la nueva composición de perovskita de "haluro mixto de catión mixto" FA 0.83 Cs 0.17 Pb (I 0.6 Br 0.4 ) 3 (FA =(HC (NH 2 ) 2 )) y descubren que las células son notablemente estables cuando se exponen a la luz solar simulada de espectro completo en condiciones ambientales sin encapsulación [54]. Han y col. adoptó carbón grueso como electrodo y la capa de transporte del orificio del dispositivo; la celda se mantuvo estable durante> 1000 h en el aire ambiente a plena luz del sol, mientras que alcanzó un PCE del 12,8% [55].

Ingeniería de interfaz

La interfaz es vital para el rendimiento de los dispositivos, ya que no solo es fundamental para la formación, disociación y recombinación de excitones, sino que también influye en la degradación de los dispositivos [56]. Como resultado, la ingeniería de interfaz para una recombinación reducida es extremadamente importante para lograr PSC de alto rendimiento y alta estabilidad.

Tan y col. informó una estrategia de pasivación por contacto utilizando TiO 2 cubierto con cloro Película de nanocristales coloidal que mitiga la recombinación interfacial y mejora la unión de la interfaz en células solares planas de baja temperatura. Los PSC lograron eficiencias certificadas de 20,1 y 19,5% para áreas activas de 0,049 y 1,1 cm 2 , respectivamente. Además, los PSC con una eficiencia superior al 20% retuvieron el 90% de su rendimiento inicial después de 500 h de funcionamiento continuo a temperatura ambiente en su punto de máxima potencia con iluminación de 1 sol [57]. Wang y sus colaboradores insertaron una capa de túnel aislante entre la perovskita y la capa de transporte de electrones. La fina capa aislante permitió el transporte de electrones fotogenerados desde perovskita a C 60 cátodo a través de un túnel y bloqueó los orificios fotogenerados de nuevo en la perovskita. Los dispositivos con estos materiales aislantes exhibieron un PCE aumentado del 20,3% bajo iluminación de 1 sol [58]. Correa-Baena y col. proporcionó alguna orientación teórica al investigar en profundidad la recombinación en las diferentes interfaces en un PSC, incluidos los contactos de carga selectiva y el efecto de los límites de grano [59].

Conclusiones

El desarrollo de los PSC en los últimos años los convierte en una alternativa prometedora para la tecnología de células solares de próxima generación, de bajo costo y alta eficiencia. Impulsados ​​por la urgente necesidad de células solares rentables y de alta eficiencia, las PSC se han investigado intensamente en los últimos años. Se utilizan varios tipos de métodos para mejorar el rendimiento. Resumimos el desarrollo reciente de PSC de alta eficiencia. La eficacia registrada de las PSC de unión simple se ha incrementado en unos pocos pliegues a más del 22% en los últimos años, acercándose a las mejores células solares de silicio monocristalino. Sin lugar a dudas, los materiales de perovskita de haluro han surgido como una alternativa atractiva a las células solares de silicio convencionales. Sin embargo, el problema de la estabilidad sigue siendo urgente por resolver. El progreso reciente realizado en las arquitecturas de dispositivos y los nuevos materiales abren nuevas oportunidades para PSC altamente estables.


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