Un grupo de investigadores de la Universidad de Soochow, en China, y del fabricante fotovoltaico chino Longi ha desarrollado una célula solar tándem de perovskita-silicio mediante una estrategia interfacial que, según afirman, suprime la recombinación no radiativa al tiempo que mantiene una extracción eficiente de carga.

La estrategia propuesta consiste en integrar nanopartículas discretas de zirconia monoclínica (ZrO₂) entre el óxido conductor transparente (TCO) de la célula y la capa de monocapa autoensamblada (SAM). "Esto modula la energía superficial local para facilitar el crecimiento de películas de perovskita sin vacíos y con granos grandes, al tiempo que funciona como un contacto localizado a nanoescala", declaró a pv magazine el investigador de Longi He Bo. "A diferencia de los dieléctricos convencionales de óxidos metálicos, el ZrO₂ presenta una elevada constante dieléctrica, lo que mitiga la acumulación de carga interfacial y suprime la histéresis".

Los científicos explicaron que la capa interfacial de ZrO₂ actúa como un búfer discontinuo y nanoporoso entre el óxido conductor transparente y la SAM, pasivando eficazmente la interfaz enterrada sin obstaculizar el transporte de carga. Gracias a su amplia banda prohibida de alrededor de 5,49 eV, el ZrO₂ introduce una absorción insignificante de luz visible, mientras que su estructura porosa reduce el contacto directo entre la perovskita y el óxido conductor defectuoso, suprimiendo así las vías de fuga y la recombinación interfacial.

Mientras tanto, las regiones expuestas de la SAM mantienen una extracción eficiente de huecos, y la caracterización estructural confirmó la formación de ZrO₂ monoclínico de fase pura. El análisis mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) también mostró que la dilución del precursor controla la cobertura de nanopartículas, proporcionando una pasivación interfacial eficaz al tiempo que evita la formación de una capa aislante continua que podría dificultar la extracción de portadores.

Los investigadores construyeron la célula solar tándem monolítica de perovskita-silicio con una célula inferior de silicio cristalino (c-Si) y una célula superior de perovskita con configuración invertida p-i-n.

Esquema de la célula tándem. | Imagen: Longi

La subcélula de silicio cuenta con contactos pasivantes de silicio amorfo intrínseco (a-Si(i)) y óxido de silicio nanocristalino dopado (nc-SiOₓ(n)), con óxido de indio y estaño (ITO) y plata (Ag) formando el contacto posterior. En la cara frontal de la célula de silicio, la pila de contactos nc-SiOₓ(n)/a-Si(i) se combina con ITO para formar la región de recombinación/contacto que conecta las dos subcélulas.

La capa interfacial de ZrO₂ se introdujo entre el ITO y la monocapa autoensamblada (SAM) de MeO-4PACz, seguida del absorbedor de perovskita. La célula superior se completó posteriormente con una capa de pasivación interfacial de fluoruro de litio/diyoduro de etilendiamonio (LiF/EDAI), una capa de transporte de electrones de fullereno (C₆₀), una capa búfer de óxido de estaño (SnO₂) y un electrodo conductor transparente de óxido de indio y zinc (IZO). Finalmente, un recubrimiento antirreflectante de fluoruro de magnesio (MgF₂) y dedos de Ag forman los contactos ópticos y eléctricos frontales.

Se comprobó que la intercapa optimizada de ZrO₂ mejora la integridad y la organización molecular de la monocapa autoensamblada (SAM), y la microscopía de fuerza atómica conductiva (C-AFM) mostró menos regiones localizadas de alta conductividad, lo que indica una cobertura más homogénea de la SAM y una reducción de las vías de fuga.

Además, la espectroscopia fotoelectrónica de rayos X (XPS) confirmó la formación de enlaces covalentes Zr–O–P que crean una red de doble anclaje que fortalece la adhesión de la SAM a la interfaz. La espectroscopia fotoelectrónica ultravioleta (UPS) y la microscopía de fuerza de sonda Kelvin (KPFM) revelaron una alineación favorable de los niveles de energía y de la extracción de huecos.

Probada bajo condiciones estándar de iluminación, la célula tándem alcanzó una eficiencia de conversión de potencia del 34,0%, una tensión de circuito abierto de 1,997 V, una densidad de corriente de cortocircuito de 20,36 mA cm⁻² y un factor de llenado del 83,62%. Los investigadores también informaron de una tensión de circuito abierto certificada de forma independiente de 2,014 V.

También se comprobó que el dispositivo conservó el 84% de su eficiencia inicial después de 2.000 h, mientras que una célula de control construida sin la estrategia interfacial propuesta se degradó hasta el 70% después de 1.000 h.

"Estos resultados ponen de relieve una estrategia eficaz de ingeniería interfacial para proporcionar simultáneamente alta eficiencia, mayor tensión y estabilidad operativa a largo plazo", afirmó Bo.

El nuevo concepto de célula se presentó en el artículo "Nanoscale interfacial scaffold enables perovskite/silicon tandems with 34% efficiency and an open-circuit voltage over 2.01 V" (Una estructura interfacial a nanoescala permite tándems de perovskita/silicio con una eficiencia del 34% y una tensión de circuito abierto superior a 2,01 V), publicado en Science Bulletin.

Longi posee actualmente el récord mundial de eficiencia para células solares tándem de perovskita-silicio, con un dispositivo de dos terminales con una eficiencia del 35,5%. El resultado fue certificado de forma independiente en julio por la European Solar Test Installation (ESTI), que forma parte del Centro Común de Investigación de la Comisión Europea en Italia.