Óxido de grafeno reducido tratado con UV-ozono mejora la capa de transporte de huecos PEDOT:PSS en celdas solares de perovskita invertidas

Resumen

Las celdas solares de perovskita invertidas de arquitectura planar ofrecen fabricación a baja temperatura, bajo costo y histeresis reducida comparadas con las arquitecturas n-i-p convencionales. El rendimiento de las celdas depende críticamente de la calidad de la capa de transporte de huecos (HTL). Aquí demostramos un tratamiento verde con UV-ozono que mejora la hidrofilicidad del óxido de grafeno reducido (rGO) preservando su alta conductividad eléctrica. El rGO tratado se mezcla con PEDOT:PSS para formar una HTL modificada. Los dispositivos fabricados con esta capa rGO/PEDOT:PSS alcanzan una eficiencia de conversión de potencia (PCE) del 10.7 %, con densidad de corriente de cortocircuito (J_SC) de 16.75 mA cm^–2, voltaje de circuito abierto (V_OC) de 0.87 V y factor de llenado (FF) de 75 %. Esto representa una mejora del 27 % frente a celdas con PEDOT:PSS puro, atribuida a la superficie más lisa y mayor movilidad de huecos de la capa dopada con rGO.

Antecedentes

Los perovskitas híbridos orgánico-inorgánicos han surgido como material fotovoltaico líder, con PCEs escalando del 3.8 % al 22.1 % en la última década, superando a las celdas de silicio cristalino. Sin embargo, el recocido a alta temperatura requerido para las celdas n-i-p tradicionales limita su aplicación en sustratos flexibles. La estructura invertida p-i-n, reportada por primera vez por Guo et al. en 2013, coloca un material de transporte de huecos (HTM) bajo la capa de perovskita, seguido de un material de transporte de electrones (ETM). Esta arquitectura simplifica el procesamiento, reduce la histeresis y mejora el factor de llenado. A pesar de los avances en el desarrollo de HTL y ETL, la eficiencia de las celdas invertidas aún rezaga a la de dispositivos convencionales.

El grafeno y sus derivados ofrecen conductividad, transparencia y estabilidad ambiental excepcionales, volviéndolos atractivos para modificar HTL. Sin embargo, el rGO comercial tiende a agregarse en medios acuosos por grupos hidrofílicos limitados, mientras que el óxido de grafeno (GO) sufre de baja conductividad. Por tanto, es deseable un rGO procesable en solución que equilibre dispersibilidad y conductividad. En este trabajo presentamos un protocolo UV-ozono sencillo y ecológico que introduce grupos hidroxilo y carboxilo en el rGO, permitiendo dispersión acuosa estable sin comprometer sus propiedades eléctricas. Incorporar este rGO tratado en PEDOT:PSS produce una HTL de alto rendimiento para celdas de perovskita invertidas.

Métodos/Experimental

Reactivos

PEDOT:PSS (Clevios™ PVP. Al 4083), CH₃NH₃I (MAI), PbI₂ (99 %), dimetilformamida anhidra (DMF, 99.8 %) y clorobenceno (CB, 99.8 %) se adquirieron de Sigma-Aldrich. [6,6]-Fenil-C₆₁-butírico éster metílico (PC₆₁BM, > 99 %) y 2,9-dimetil-4,7-difenil-1,10-fenantrolina (BCP, > 99 %) se obtuvieron de Xi'an Polymer Light Technology Corp. El rGO se sintetizó siguiendo el protocolo de Y.F. Chen.

Preparación de Soluciones

Cinco miligramos de rGO se colocaron en una placa de Petri de cuarzo y se sometieron a exposición UV-ozono (270 W) por 2 h. El rGO tratado se recogió y dispersó en agua desionizada a 1 mg mL^–1 usando baño ultrasónico. Para preparar la HTL, soluciones de rGO (proporciones volumétricas 0.1, 0.2 y 0.3 v/v) se mezclaron con PEDOT:PSS a temperatura ambiente, se agitaron overnight y se filtraron mediante filtros PTFE de 0.45 µm.

El precursor de perovskita se preparó disolviendo MAI y PbI₂ (proporción molar 1:1) en DMF (40 % p/p) a 60 °C por 24 h, luego filtrando mediante filtros PTFE de 0.45 µm.

Fabricación de Dispositivos

Las celdas invertidas se ensamblaron sobre ITO (1.5 × 1.5 cm²) siguiendo secuencia de spin-coating: ITO/PEDOT:PSS/rGO/CH₃NH₃PbI₃/PC₆₁BM/BCP/Ag. Los sustratos ITO se limpiaron con acetona, isopropanol y agua. La capa rGO/PEDOT:PSS se depositó por spin-coating a 4000 rpm por 40 s, luego recocida a 150 °C por 10 min en aire. La capa de perovskita se depositó vía spin-coating en un paso de la solución al 40 % en DMF (4000 rpm, 40 s), seguido de goteo rápido de 70 µL de CB a los 6 s en el film húmedo. Los films se recocieron a 110 °C por 30 min bajo N₂. PC₆₁BM (20 mg mL^–1 en CB) se depositó a 3000 rpm por 40 s, luego BCP (solución saturada en IPA) a 2000 rpm por 30 s. Finalmente, se evaporaron 100 nm de Ag.

Caracterización

XPS se realizó con espectrómetro ESCALAB 250 para evaluar grupos funcionales. Patrones XRD de films de perovskita se registraron en difractómetro Bede de alta resolución. AFM (SPI3800) proporcionó morfología superficial. Características corriente-voltaje (J-V) se midieron con Keithley 2400 bajo iluminación AM 1.5 G (100 mW cm^–2) de simulador solar ABET SUN 3000.

Resultados y Discusión

La Figura 1 ilustra el contraste óptico entre dispersiones de rGO sin tratar y tratado con UV-ozono. El rGO tratado se dispersa uniformemente, evidenciando la introducción de grupos –OH y –COOH hidrofílicos sin oxidación completa, confirmado por el color negro preservado versus el marrón del GO.

Los espectros XPS (Figura 2) muestran intensidades aumentadas de picos C–O y C–(O)–OH tras el tratamiento UV-ozono, confirmando la funcionalización exitosa mientras se mantiene la red sp².

La cristalinidad de la perovskita se sondeó mediante XRD (Figura 3). Ambos films sobre PEDOT:PSS puro y rGO/PEDOT:PSS muestran picos característicos a 14.14°, 28.08° y 31.86° (planos 110, 220, 310). Los picos más nítidos para la HTL modificada con rGO indican cristalinidad mejorada, correlacionándose con transporte de carga mejorado.

AFM (Figura 4) revela un ligero aumento de rugosidad RMS de 1.15 nm (PEDOT:PSS puro) a 1.27 nm (rGO/PEDOT:PSS). Este rugosidad modesta puede promover el crecimiento de granos de perovskita, apoyando observaciones XRD.

El rendimiento del dispositivo (Figura 5) muestra que la HTL rGO/PEDOT:PSS 0.2 v/v entrega las mejores métricas: V_OC = 0.87 V, J_SC = 16.75 mA cm^–2, FF = 75 %, PCE = 10.75 %. Comparado con PEDOT:PSS puro (PCE = 8.48 %), esto representa aumento del 27 %. Medidas J-V en oscuridad (Figura 5b) confirman corriente de fuga reducida, que mejora tanto V_OC como J_SC al disminuir resistencia serie y suprimir shunts.

Análisis estadístico de 60 dispositivos (Figura 6) confirma reproducibilidad: PCE media de 9.7 ± 1.04 % para dispositivos dopados con rGO versus 7.65 ± 0.48 % para PEDOT:PSS puro. La mejora se debe mayormente a J_SC más alto (15.25 ± 1.8 mA cm^–2) y FF (72.37 ± 2.03 %) que a V_OC.

Conclusiones

Hemos introducido un proceso UV-ozono simple y ecológico que produce rGO dispersable en agua con conductividad preservada. Al mezclarse con PEDOT:PSS, este rGO actúa como aditivo de alta movilidad, mejorando morfología superficial y reduciendo fuga del dispositivo. Celdas de perovskita invertidas incorporando 0.2 v/v rGO/PEDOT:PSS alcanzan PCE de 10.75 %, un impulso del 27 % frente a HTLs convencionales de PEDOT:PSS. Esta estrategia demuestra una ruta viable hacia celdas solares de perovskita de alta eficiencia procesables en solución y podría extenderse a otros dispositivos optoelectrónicos.