Capas de transporte de electrones SnO₂ curadas por UV a baja temperatura logran 14,4 % de eficiencia en celdas solares de perovskita planares

Resumen

Se presenta un protocolo sencillo de tratamiento con ozono ultravioleta (UVO) para capas de transporte de electrones (ETL) de óxido de estaño (SnO₂) fabricadas a temperaturas inferiores a 90 °C. Optimizando la concentración del precursor de SnO₂, se controla el espesor de la película, se logra alta cristalinidad y se eliminan residuos orgánicos, resultando en ETLs con conductividad y transmitancia óptica superiores. Al integrarse en una arquitectura de celda solar de perovskita planar (Vidrio/ITO/SnO₂/MAPbI₃/Spiro-OMeTAD/Au), los dispositivos alcanzan una eficiencia de conversión de potencia (PCE) máxima del 14,36 % a concentración de SnO₂ del 20 %. Este enfoque de baja temperatura basado en UV ofrece una ruta escalable y rentable a PSCs de alto rendimiento.

Antecedentes

Las celdas solares de perovskita (PSCs) han progresado rápidamente del 3,8 % al 22,1 % PCE en años recientes. En arquitecturas tanto mesoporosas como planares, el absorbedor de perovskita se interpone entre capas de transporte de electrones (ETLs) y huecos (HTLs), y la calidad interfacial de estas capas influye directamente en el rendimiento del dispositivo. La fabricación convencional de ETLs compactos a menudo requiere recocido o sinterizado a alta temperatura (hasta 450 °C para TiO₂ y 180 °C para SnO₂), lo que limita la producción a gran escala y bajo costo.

Se presenta un protocolo de spin-coating para precursores de SnO₂ seguido de tratamiento UVO, logrando un ETL completamente compacto a temperaturas inferiores a 90 °C. Este método elimina la necesidad de pasos a alta temperatura, reduce la complejidad del proceso y disminuye los costos de fabricación. Nuestras PSCs, basadas en CH₃NH₃PbI₃ (MAPbI₃) y fabricadas mediante enfoque de anti-solvente en un paso (OSAS), exhiben arquitectura de heterounión planar: Vidrio/ITO/SnO₂/MAPbI₃/Spiro-OMeTAD/Au. Los dispositivos optimizados alcanzan PCE del 14,5 %.

Métodos

Materiales y Preparación de Precursores

Yoduro de metilamonio (MAI; 99,5 %) y yoduro de plomo (PbI₂; 99,9 %) se obtuvieron de Xi'an Polymer Light Technology Corp. Óxido de estaño (SnO₂; dispersión coloidal 15 % en masa en H₂O con trazas de solventes orgánicos) se adquirió de Alfa Aesar. 1,2-Diclorobenceno (DCB; 99,5 %) y otros solventes (DMF, DMSO, Spiro-OMeTAD, TBP, Li-TFSI) de Sigma Aldrich. Todos los reactivos se usaron tal como se recibieron sin purificación adicional.

Fabricación de Dispositivos

La pila del dispositivo es ITO/SnO₂/MAPbI₃/Spiro-OMeTAD/Au. Sustratos de vidrio ITO (<15 Ω/□) se limpiaron ultrasónicamente con acetona, etanol y agua DI (15 min cada uno) y secaron con nitrógeno. Limpieza UVO subsiguiente (15 min a ~60 °C) eliminó orgánicos residuales. Películas de SnO₂ se depositaron por spin-coating de soluciones precursoras (10 %, 15 %, 20 %, 30 % en volumen) a 5000 rpm por 30 s, secaron a 50 °C por 5 min, y luego se sometieron a UVO (60 min, ~60 °C). Un precursor 1 M de MAPbI₃ (MAI:PbI₂ = 1:1 M) se preparó en mezcla 9:1 (v/v) DMF:DMSO, agitó y calentó a 50 °C overnight. La capa de perovskita se depositó por spin-coating a 4000 rpm por 30 s, con una gota de dietil éter añadida 5 s antes del final del spin. La película se recoció a 90 °C por 10 min en guante-box. La HTL consistió en 70 mM Spiro-OMeTAD, 28,8 mM Li-TFSI y 55 mM TBP en DCB, spin-coating a 5000 rpm por 20 s. Finalmente, 100 nm Au se evaporaron térmicamente a ~5 Å/s bajo 5×10⁻⁴ Pa. El área activa fue 4 mm².

Caracterización y Medidas

Curvas corriente-voltaje (J-V) se registraron con Keithley 2400 bajo iluminación AM1.5G (100 mW/cm²) usando simulador solar Newport 94043A, calibrado contra célula de silicio de referencia. Espectros de transmisión UV-vis se obtuvieron con espectrómetro Cary 5000. Morfología superficial y estructura transversal se examinaron por SEM (JSM-7001F). Difracción de rayos X (XRD) se realizó en difractómetro (DX-2700) para confirmar fase rutilo SnO₂. Espectroscopía de rayos X dispersiva en energía (EDS) evaluó composición elemental.

Resultados y Discusión

El ozono UV emite fotones a 185 y 254 nm (647 y 472 kJ/mol), suficientes para romper enlaces C-C, C-O y C-H (346–411 kJ/mol). EDS de película 20 % SnO₂ post-UVO muestra >99 % Sn y O, con <1 % C residual, confirmando eliminación de orgánicos y ETLs de alta pureza (Tabla 1).

XRD de las películas tratadas con UVO revela picos característicos de rutilo a 2θ = 26,5°, 34,0°, 38,1°, 51,6° y 65,9° (planos (110), (101), (200), (211), (301)) coincidiendo con JCPDS 41-1445. Análisis Debye-Scherrer arroja tamaño de cristalito promedio de 5,5 nm (Fig. 2).

La Figura 3a muestra el esquema del dispositivo. SEM de la capa activa (Fig. 3b) revela película continua de MAPbI₃ (~384 nm de espesor) con cristales únicos >1 µm, indicativo de formación de perovskita de alta calidad. La capa SnO₂ (20 %) es ~65 nm de espesor, proporcionando equilibrio óptimo entre conductividad y transmisión de luz.

Características J-V (Fig. 4) y parámetros detallados (Tabla 2) ilustran que J_sc alcanza 20,11 mA/cm² para dispositivo 20 % SnO₂, mientras V_oc y factor de llenado (FF) también mejoran con concentración creciente hasta 20 %. La PCE correspondiente alcanza 14,36 % con resistencia serie (R_s) de 232,8 Ω y resistencia shunt (R_sh) de 15.868 Ω. Exceso de SnO₂ (30 %) reduce transparencia, aumentando recombinación y disminuyendo rendimiento.

SEM transversal (Fig. 5) confirma espesores de película de 34 nm (10 %), 48 nm (15 %), 66 nm (20 %) y 97 nm (30 %). Medidas I-V de estructuras ITO/SnO₂/Au revelan que resistencia vertical disminuye de 98,6 Ω (10 %) a 33,7 Ω (20 %) antes de aumentar a 50,8 Ω (30 %), correlacionando con continuidad y cristalinidad de la película.

SEM vista superior (Fig. 7) muestra películas uniformes y lisas en todas las concentraciones, con tamaños de cristalito ~6,8 nm —consistente con estimaciones XRD. Defectos menores de islas aparecen en 10 % (Fig. 7a, e), reduciendo conductividad, mientras 20 % proporciona continuidad óptima. En 30 % las películas exhiben ligera coalescencia, aumentando resistencia.

Espectros de transmisión UV-vis (Fig. 8) indican >75 % transmitancia en 400–800 nm. Los picos se desplazan a longitudes de onda mayores con espesor creciente de SnO₂ (10 % → 616 nm, 15 % → 662 nm, 20 % → 718 nm, 30 % → >800 nm). La banda de absorción MAPbI₃ (300–760 nm) se solapa mejor con películas 10–20 % SnO₂, maximizando captación de luz. Exceso de espesor (30 %) reduce transmitancia, llevando a menor PCE.

Conclusiones

Se demuestra que el tratamiento UVO a baja temperatura de precursores de SnO₂ depositados por spin-coating produce ETLs compactos, de alta pureza, con excelente conductividad y transparencia. Optimizando la concentración de SnO₂ al 20 % se producen PSCs planares con PCE del 14,36 %. El rendimiento se rige por el equilibrio entre espesor, uniformidad y transparencia óptica. Este proceso escalable y de bajo costo es adecuado para fabricación industrial de PSCs.

Abreviaturas

ETLs:

Capas de transporte de electrones

FF:

Factor de llenado

HTLs:

Capas de transporte de huecos

J_sc:

Fotocorriente de cortocircuito

OSAS:

Anti-solvente en un paso

PCE:

Eficiencia de conversión de potencia

PSCs:

Celdas solares de perovskita

UVO:

Ozono ultravioleta

V_oc:

Voltaje de circuito abierto