Optimización de celdas solares de perovskita MAPbI3 con electrodos ITO pulverizados en ángulo oblicuo

Resumen

Investigamos cómo el ángulo y tiempo de pulverización de óxido de indio-estaño (ITO) influyen en la morfología y rendimiento de películas de perovskita metilamonio yoduro de plomo (MAPbI₃). Aumentar el ángulo de pulverización oblicuo de 0° a 80° agrandó el tamaño de grano de perovskita, consecuencia de la alterada mojabilidad superficial de la intercapeta PEDOT:PSS. El dispositivo más eficiente (11,3 % eficiencia de conversión de potencia) se logró con película ITO oblicua a 30° depositada por 15 min, subrayando el balance entre conductividad y propiedades de dispersión de luz.

Antecedentes

El óxido de indio-estaño (ITO) sigue siendo el óxido conductor transparente (TCO) más usado en dispositivos optoelectrónicos, ofreciendo ~96 % transmitancia visible y ~10 Ω/sq resistencia de hoja. Adaptar las características ópticas y eléctricas de ITO —mediante recocido, control de proporción de gases o deposición en ángulo rasante (GLAD)— ha producido películas anisotrópicas con microestructuras columnares y propiedades dependientes de dirección. Las celdas solares de perovskita (PSC) basadas en CH₃NH₃PbI₃ (MAPbI₃) han alcanzado eficiencias notables, sin embargo la mayoría de dispositivos emplean sustratos TCO isótropos. Este estudio explora el uso de ITO pulverizado oblicuamente como sustrato para PSC planares de MAPbI₃, examinando cómo la anisotropía superficial impacta crecimiento de película y rendimiento de dispositivo.

Métodos

Vidrio ITO (1,5 × 1,5 cm²) se limpió secuencialmente con acetona, etanol y agua desionizada (5 min ultrasonicación) y secó con nitrógeno. Una capa de 100 nm ITO se pulverizó a 5 mTorr Ar, variando ángulo de deposición (0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 80°) y tiempo (5-30 min). Post-deposición, las películas se recocieron a 300 °C por 30 min. PEDOT:PSS (Clevios™ PH 1000) se centrifugó sobre ITO oblicuo (5000 rpm, 30 s) y recoció a 110 °C por 10 min. MAPbI₃ se depositó vía proceso de centrifugado de dos pasos (1000 rpm, 10 s; 5000 rpm, 20 s) con solución precursora 1 mL DMSO/GBL (1:1) (1,25 mmol PbI₂, 1,25 mmol MABr). Durante el paso de 5000 rpm, 100 µL tolueno anhidro se goteó para inducir cristalización rápida. Las películas se recocieron a 100 °C por 10 min. Una capa de 50 nm PCBM (20 mg mL⁻¹ clorobenceno) se centrifugó (3000 rpm, 30 s), seguido de evaporación de 20 nm Ag bajo vacío. Los dispositivos tuvieron área activa 0,5 × 0,2 cm² definida por máscara de sombra. Análisis estructural usó XRD (Cu Kα) y FESEM; mojabilidad se evaluó via ángulo de contacto de agua. Características J-V se midieron con Keithley 2420 bajo 1000 W m⁻² iluminación AM 1.5G.

Resultados y Discusión

La cristalinidad de películas MAPbI₃ permaneció inalterada a través de ángulos de pulverización; picos XRD a 14,28°, 28,5°, 30,61° y 31,93° coincidieron con (110) MAPbI₃, (220) MAPbI₃, (110) SnO₂ y (222) In₂O₃ respectivamente, con tamaños de dominio ≈71,8 nm (Scherrer). FESEM reveló crecimiento de grano con aumento de ángulo de pulverización, confirmando que rugosidad y mojabilidad de superficie ITO modulan mojabilidad de PEDOT:PSS y nucleación de perovskita. Medidas de ángulo de contacto de agua mostraron correlación lineal entre ángulo y tamaño de grano, indicando que una superficie PEDOT:PSS más hidrofóbica (lograda vía ángulos oblicuos mayores) promueve granos de perovskita mayores.

Los espectros de fotoluminiscencia mostraron emisión dominante a 768 nm, no afectada por ITO subyacente. El amortiguamiento PL se intensificó con mayores ángulos de pulverización, evidenciando mejor separación de excitones en la interfaz PEDOT:PSS/perovskita —más pronunciado a 80° debido a mojabilidad óptima.

El rendimiento de dispositivo alcanzó pico a ángulo de pulverización 30°. La deposición de 15 min produjo la mejor conductividad manteniendo suficiente dispersión de luz. Tabla 1 lista métricas clave: J_SC = 20,46 mA cm⁻², V_OC = 0,92 V, FF = 60 %, y Eff = 11,30 %. Aumentar ángulo más allá de 30° elevó resistencia de hoja y disminuyó eficiencia, ilustrando el trade-off entre propiedades ópticas y eléctricas.

Variar tiempo de pulverización optimizó aún más rendimiento (Tabla 2). Una deposición de 15 min proveyó espesor y conductividad óptimos de película, alcanzando la misma eficiencia 11,3 % que el ángulo 30°.

Conclusiones

Demostramos que sustratos ITO pulverizados oblicuamente modulan morfología de película MAPbI₃ y rendimiento PSC. La configuración óptima —ángulo de pulverización 30° y deposición 15 min— entrega 11,3 % eficiencia, balanceando conductividad y dispersión de luz. Más allá de 30°, la resistencia de hoja aumentada supera beneficios ópticos, reduciendo rendimiento de dispositivo. Estos hallazgos resaltan la importancia de adaptar microestructura de TCO para mejorar rendimiento fotovoltaico de perovskita.

Abreviaturas

FESEM

Microscopio electrónico de barrido de emisión de campo

GLAD

Deposición en ángulo rasante

ITO

Óxido de indio-estaño

J-V

Densidad de corriente-voltaje

MAPbI₃

CH₃NH₃PbI₃

PEDOT:PSS

Poli(3,4-etilendioxitiofeno) poliestireno sulfonato

TCO

Óxido conductor transparente

XRD

Difractómetro de rayos X