Formación in situ de nanocristales de CdS y Sb₂S₃ en P3HT:PC₆₁BM mejora la fotocorriente en células solares híbridas invertidas

Resumen

La incorporación de nano-heteroestructuras en la capa activa de células solares de heterounión en masa puede mejorar marcadamente el rendimiento del dispositivo. Aquí reportamos la generación in situ de nanocristales de CdS o Sb₂S₃ dentro de una mezcla P3HT:PC₆₁BM añadiendo precursores de xantato de cadmio o antimonio a la solución de polímero. Tras recocido térmico, los precursores se descomponen para formar nanocristales dispersos uniformemente, creando una interfaz íntima polímero-nanocristal que mejora la absorción óptica, movilidad de huecos y rugosidad superficial. Dispositivos fabricados con 3% en peso de CdS o Sb₂S₃ exhiben eficiencias de conversión de potencia (PCE) de 2,91% y 2,92% respectivamente —sustancialmente mayores que células convencionales P3HT:PC₆₁BM. Estudios UV-Vis, CLC y AFM confirman los beneficios de transporte de carga y morfológicos conferidos por los nanocristales, subrayando la efectividad de la síntesis in situ para células solares híbridas de alta eficiencia.

Antecedentes

Las tecnologías fotovoltaicas orgánicas (OPV) ofrecen soluciones ligeras, de bajo costo y flexibles, mientras que los semiconductores inorgánicos proporcionan alta movilidad de carga y estabilidad química. Las células solares híbridas (HSC) que combinan estas dos clases de materiales buscan aprovechar lo mejor de ambos mundos. Los enfoques tradicionales mezclan nanocristales inorgánicos pre-sintetizados, con ligantes, con la matriz de polímero, pero los ligantes de cadena larga crean barreras aislantes y el uso de cosolventes puede perturbar el ordenamiento de cadenas de polímero, limitando el transporte de carga y la eficiencia. En contraste, la síntesis in situ de nanopartículas inorgánicas directamente dentro de la película de polímero elimina surfactantes y cosolventes, promoviendo mezcla íntima y transporte de carga fotoinducido eficiente.

Estudios previos han mostrado que nanocristales de sulfuro metálico como CdS y Sb₂S₃ pueden servir como cascadas de electrones o dopantes, mejorando la extracción de carga y absorción de luz en mezclas P3HT:PC₆₁BM. Sin embargo, lograr carga óptima de nanocristales sin comprometer la morfología del polímero sigue siendo un desafío.

Métodos / Experimental

Fabricación de dispositivos

HSCs invertidas se ensamblaron en ITO/vidrio patrón (10-15 Ω □⁻¹). Una capa de interfaz de CdS de 10 nm se depositó por centrifugado desde una solución de xantato de cadmio 100 mg mL⁻¹ en clorobenceno y se recoció a 160 °C por 15 min bajo N₂. La capa activa se preparó mezclando P3HT:PC₆₁BM 1:1 (17 mg mL⁻¹) con 3% en peso (o 0, 5, 7% en peso) del precursor de xantato apropiado. La película se depositó por centrifugado a 600 rpm, luego se recoció a 160 °C por 30 min para descomponer el precursor en nanocristales de CdS o Sb₂S₃. Una capa de transporte de huecos de MoO₃ de 8 nm y un ánodo de Ag de 100 nm se evaporaron térmicamente a través de máscara sombra para definir área activa de 0,10 cm².

Caracterización

XRD (Cu Kα, 40 kV) evaluó cristalinidad, mientras que TGA (10 °C min⁻¹, N₂) confirmó descomposición del precursor. La absorción UV-Vis se registró con espectrofotómetro U-3900H. El rendimiento fotovoltaico (J-V bajo 1 sol, AM 1,5G) se midió con medidor de fuente Keithley 2410 en N₂. Los espectros EQE/IPCE se obtuvieron usando detector de silicio calibrado. Las movilidades de huecos se extrajeron de mediciones CLC en dispositivos solo de huecos (ITO/PEDOT:PSS/capa activa/MoO₃/Ag). AFM (modo tapping) proporcionó datos de morfología y rugosidad superficial.

Resultados y discusión

Estabilidad térmica de precursores

TGA reveló que el xantato de cadmio se descompone entre 50-150 °C, dejando ~25% residuo coincidiendo con CdS (28%), mientras que el xantato de antimonio se descompone entre 120-160 °C, produciendo ~35% residuo consistente con Sb₂S₃ (35%). Estos perfiles guiaron las condiciones de recocido para asegurar conversión completa del precursor.

Gráficos TGA de xantatos de cadmio y antimonio

Formación de nanocristales y morfología

Tras recocido, la capa activa mostró coloración amarilla o naranja indicativa de formación de CdS o Sb₂S₃. Patrones XRD confirmaron fases CdS hexagonal/cúbica y Sb₂S₃ ortorrómbica, alineándose con datos TGA. AFM mostró aumento de rugosidad superficial de 2,82 nm (pristino) a 8,89 nm (3% CdS) y 7,13 nm (3% Sb₂S₃), sugiriendo cambios morfológicos inducidos por nanocristales que mejoran la interpenetración y disociación de excitones.

Patrones XRD de películas de CdS y Sb₂S₃

Rendimiento fotovoltaico

Curvas J-V (Fig. 3b-c) muestran que añadir 3% en peso CdS o Sb₂S₃ eleva la corriente de cortocircuito (Jsc) de 7,77 mA cm⁻² a 8,72 mA cm⁻² (CdS) o 9,15 mA cm⁻² (Sb₂S₃). La resistencia en serie cae de 22,15 Ω cm² a 16,70 Ω cm² (CdS) o 17,50 Ω cm² (Sb₂S₃), mejorando el factor de llenado de 0,52 a 0,56 o 0,54. Las PCEs resultantes pico en 2,91% (CdS) y 2,92% (Sb₂S₃), superando el control (2,34%) y sobrepasando celdas P3HT:PC₆₁BM dopadas con CdS reportadas previamente.

Fig. 3. a Esquema del dispositivo. b Curvas J-V para carga CdS. c Curvas J-V para carga Sb₂S₃. d Diagrama de banda de energía.

Respuesta espectral y absorción

Los espectros IPCE (Fig. 4a) demuestran eficiencias cuánticas mayores en 300-650 nm para dispositivos dopados con nanocristales. A 540 nm, los picos IPCE alcanzan 60% (CdS) y 65% (Sb₂S₃) versus 55% para la mezcla prístina. La absorción UV-Vis (Fig. 4b) muestra mejora modesta para CdS y aumento notable para Sb₂S₃, correlacionando con el Jsc mejorado.

Fig. 4. a Curvas IPCE. b Espectros de absorción UV-Vis.

Transporte de carga

Mediciones CLC (Fig. 5) revelan que la movilidad de huecos aumenta de 4,09 × 10⁻⁵ cm² V⁻¹ s⁻¹ (pristino) a 1,53 × 10⁻⁴ cm² V⁻¹ s⁻¹ (CdS) y 1,69 × 10⁻⁴ cm² V⁻¹ s⁻¹ (Sb₂S₃). El transporte de huecos mejorado balancea la movilidad electrónica intrínsecamente mayor de P3HT:PC₆₁BM, reduciendo recombinación e impulsando Jsc y FF.

Fig. 5. Curvas J½-V para dispositivos solo de huecos.

Morfología superficial

Imágenes AFM (Fig. 6) confirman que las capas de nanocristales 3% exhiben mayor rugosidad, facilitando mejor contacto con la capa de transporte de huecos MoO₃ y mejorando la extracción de carga. El área interfacial aumentada contribuye a las ganancias observadas en Jsc y FF.

Fig. 6. Imágenes de altura AFM: a prístino, b 3% CdS, c 3% Sb₂S₃.

Conclusiones

Al sintetizar in situ nanocristales de CdS o Sb₂S₃ dentro de una matriz P3HT:PC₆₁BM, logramos dopaje 3% que mejora marcadamente absorción óptica, movilidad de huecos y rugosidad superficial —factores clave impulsando las PCEs más altas reportadas de 2,91% (CdS) y 2,92% (Sb₂S₃) para HSC invertidas. Este enfoque libre de ligantes y solventes ofrece una vía escalable hacia fotovoltaicos híbridos de alta eficiencia.