Materiales inorgánicos de haluro sin plomo.
Gran parte de la investigación sobre las células solares de nueva generación se centra en los materiales híbridos de perovskita de plomo y haluro. Sin embargo, cada vez es mayor el esfuerzo por encontrar compuestos alternativos que ofrezcan características similares o mejoradas y eliminen la necesidad del plomo, tóxico para el medio ambiente, que hasta ahora ha sido difícil de conseguir. Es importante encontrar materiales sin plomo con una gama de brechas de banda con el objetivo de combinarlos para que generen electricidad a partir de partes complementarias del espectro solar. Un dispositivo de este tipo se denomina célula solar en tándem, y será una herramienta crucial para aumentar la eficiencia, y por tanto disminuir el coste, de las futuras generaciones de células solares.
Recientemente, el estudiante de doctorado Ben Putland, supervisado por el profesor Henry Snaith (Grupo de Dispositivos Optoelectrónicos y Fotovoltaicos de la Universidad de Oxford), llevó a cabo una investigación de vanguardia sobre la síntesis y el rendimiento fotovoltaico de un nuevo absorbente solar inorgánico de haluro sin plomo con la fórmula general A2BB’X6. La modelización sugiere que, dado el adecuado bandgap de unos 2 eV, este material podría utilizarse como absorbente superior en células fotovoltaicas en tándem. En este caso, la modelización sugiere que se combinaría bien con las células de Si, ya bien establecidas, para crear una célula en tándem sin plomo con eficiencias superiores al 30%. Al tener una composición totalmente inorgánica, también puede ofrecer una vía para superar los problemas de estabilidad asociados a las alternativas existentes con contenido orgánico (por ejemplo, las perovskitas híbridas) que suelen degradarse rápidamente bajo una exposición sostenida a la luz solar.
Uno de los problemas de este nuevo material es su dificultad para procesar películas uniformes a partir de una solución. Esto se debe a la insolubilidad de los componentes de partida y a un complejo proceso de cristalización que da lugar a un indeseable crecimiento de cristales dendríticos. La evaporación al vacío ha permitido superar estos problemas. Con altos niveles de control, la evaporación al vacío puede ofrecer la capacidad conveniente y escalable para la fabricación de estos dispositivos. El material se depositó mediante la evaporación al vacío de tres precursores distintos utilizando un equipo suministrado por Moorfield. A continuación se muestra la caracterización del material:
Figure 1: X-ray diffraction patterns of evaporated A2BB’X6 films annealed at 150 °C.
Figure 2 Photoluminescence and absorption spectra of films evaporated on quartz anneale d at 150 °C. Films were excited using a 405 nm laser and peak photon emission was measured at 720 nm
Figure 3: Top view SEM micrograph of A2BB’X6 films evaporated on quartz.
Figure 4: J-V scans of evaporated A2BB’X6 solar cells. Steady state voltage Vss and short circuit current density Jss was measured to be 0.22 V and 2.49 mA cm-2 respectively, and steady state power conversion efficiency was measured to be 0.55%.
| Scan direction | Voc (V) | Jsc (mA cm-2) | FF (%) | PCE (%) |
| Forward | 0.35 | 2.80 | 54 | 0.53 |
| Reverse | 0.35 | 2.84 | 53 | 0.53 |
Table 1: Forward and reverse J-V performance parameters for A2BB’X6 solar cells.
Todos los datos son cortesía del Grupo de Dispositivos Optoelectrónicos y Fotovoltaicos de la Universidad de Oxford.
Aunque la eficiencia de conversión de energía es actualmente baja, del 0,53%, estos resultados preliminares muestran que el material puede formarse por evaporación al vacío para aplicaciones fotovoltaicas. Se está trabajando para perfeccionar las propiedades del material y las arquitecturas de los dispositivos.
Fuentes y sistemas Moorfield LTE
Los investigadores utilizaron un sistema compuesto por tres células Moorfield LTE y unidades de control. Las fuentes funcionaron en modo de codeposición (es decir, tres fuentes funcionando a la vez) y con tasas de deposición y espesores individuales controlados con precisión, medidos con cabezales sensores de cristal de cuarzo, para permitir la formación de material con la estequiometría correcta. El recocido posterior a la deposición se utilizó para generar la estructura y las propiedades requeridas.
Con componentes optimizados y probados en la práctica para obtener los más altos niveles de control cuando se trabaja con evaporantes volátiles, la tecnología LTE de Moorfield se utiliza ahora en todo el mundo para la fabricación de dispositivos que van desde OLEDs y FETs orgánicos hasta fotovoltaicos y perovskitas. El hardware se puede suministrar como componentes individuales para su integración en una configuración existente, o bien como parte de un sistema totalmente integrado basado en las plataformas MiniLab o nanoPVD.
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