Fabricación por pirospray de partículas MAPbI3 de alta pureza para células solares de película delgada

Resumen

Presentamos un estudio comparativo de tres rutas escalables para producir partículas de perovskita yoduro de metilamonio plomo (MAPbI3): (1) precipitación por antisolvente, (2) molienda en seco, y (3) pirospray. El pirospray, que atomiza la solución precursora en un reactor de pared caliente, entrega polvos cristalinos libres de impurezas con distribuciones de tamaño estrechas y produce película delgada de perovskita uniforme cuando se usa para fabricar célula solar mesoporosa (PCE = 2,05 %). Estos hallazgos demuestran que el pirospray es el método más efectivo para generar pastas de perovskita de alta calidad adecuadas para fabricación de dispositivos de gran área.

Introducción

Las perovskitas haluro organometálicas —especialmente aquellas incorporando metilamonio (MA), formamidinio (FA) o cesio (Cs)— están a la vanguardia de investigación fotovoltaica y también exploradas para transistores, LEDs y sensores de radiación. Mientras la mayoría del trabajo se enfoca en deposición de película delgada, partículas nanocristalinas de perovskita ofrecen efectos de confinamiento cuántico y nuevas arquitecturas de dispositivo. La literatura está dominada por nanocristales todo-inorgánicos basados en Cs; sin embargo, partículas basadas en MA permanecen poco exploradas, particularmente en contexto de producción escalable.

Presentación de la Hipótesis

Proponemos tres estrategias de síntesis distintas para partículas MAPbI3:

1. Precipitación por antisolvente — Adición gota a gota de solución precursora de perovskita en tolueno.
2. Molienda en seco — Mezcla mecánica de polvos MAI y PbI2 en agitador magnético a 200 °C.
3. Pirospray — Atomización de solución precursora con boquilla 0,2 mm en calentador de acero inoxidable de dos etapas (275 °C/175 °C). Este método explota evaporación de disolvente y conversión química in-situ para formar partículas cristalinas.

Figura 1 ilustra esquema de las tres rutas.

Prueba de Hipótesis

Precursores de perovskita (MAI = 158 mg, PbI2 = 420 mg) se disolvieron en 1 mL DMSO. La resultante solución 1 mL se procesó por cada método, y los polvos se recocieron a 150 °C (antisolvente) o recolectaron directamente (pirospray) para caracterización.

1. Método antisolvente

Precipitación rápida produjo polvo amarillo tras 2 min; agitación continua 20 min produjo dispersión coloidal. XRD (Bruker D5005) confirmó formación de perovskita con picos de impureza menores.

2. Método molienda

Ratios de masa MAI/PbI2 1:1 y 1:2 se probaron a 200 °C. XRD mostró picos dominantes de perovskita pero señales residuales de PbI2, indicando conversión incompleta.

3. Método pirospray

Usando presión aire 2 psig, gotitas entraron calentador 10 cm × 30 cm. Primera etapa (275 °C) evaporó disolvente; segunda etapa a 175 °C previno descomposición, produciendo polvo altamente cristalino, libre de impurezas.

Figura 2 presenta patrones XRD, y Figura 3 muestra imágenes SEM revelando partículas de tamaño micrónico, irregulares; polvos derivados de pirospray exhiben distribución de tamaño más estrecha (Figura 4).

Implicaciones de la Hipótesis

Pastas de perovskita se formularon dispersando 20 mg de cada polvo en 10 µL etanol y recubrimiento por cuchilla sobre capas mesoporosas TiO2 en vidrio FTO. SEM (Figura 6) muestra que solo la pasta derivada de pirospray forma película continua, libre de defectos. Espectros UV-Vis (Figura 7) confirman borde de absorción esperado ~750 nm para películas derivadas de pirospray.

Fabricamos célula solar básica MAPbI3: TiO2 / perovskita / Spiro-OMeTAD / Au. El dispositivo exhibió PCE 2,05 % (Voc < 0,4 V, Jsc = 6,3 mA cm⁻², FF = 0,8), limitado por recombinación de carga interfacial probablemente causada por unión débil de partículas en la película. Mejores aglutinantes podrían mejorar rendimiento.

Conclusiones

El pirospray consistentemente produce partículas MAPbI3 cristalinas, libres de impurezas, con distribución de tamaño estrecha, permitiendo fabricación de películas de perovskita uniformes y células solares funcionales. Esta ruta escalable promete para manufactura de dispositivos de perovskita de gran área.