Un grupo de investigación internacional ha desarrollado una estrategia novedosa para mejorar las monocapas autoensambladas (SAM) utilizadas como capas de transporte de huecos en celdas solares de perovskita invertida. El método, denominado coensambla je de ruptura de simetría (SBC), combina moléculas simétricas y asimétricas para suprimir la agregación y mejorar la cobertura de superficie.

"En lugar de sintetizar moléculas asimétricas complejas y costosas, logramos los beneficios de la asimetría molecular al coensamblar una SAM simétrica ampliamente utilizada (MeO-2PACz) con una simple molécula conjugada asimétrica (DTCA)", comentó a pv magazine el autor correspondiente Tom Wu. "Este enfoque suprime la autoa gregación molecular, aumenta sustancialmente la cobertura de superficie y mejora la calidad de la interfaz enterrada".

Wu señaló que su equipo también desarrolló un método cuantitativo de espectroscopia de infrarrojo con microscopía de fuerza atómica (AFM-IR) para medir directamente la cobertura de SAM a nanoescala.

"En conjunto, estos avances permitieron eficiencias certificadas superiores al 25.6% y excelente estabilidad operacional, proporcionando un nuevo marco práctico para la ingeniería de interfaces en fotovoltaica de perovskita", agregó.

Los investigadores seleccionaron MeO-2PACz como molécula huésped y la compararon con dos coensambla jes de ruptura de simetría incorporando ácido 2-tiofenecarboxílico (TCA) o ácido dibenzo[b,d]tiofeno-4-carboxílico (DTCA). Depositaron las formulaciones MeO-2PACz, MeO-TCA y MeO-DTCA a partir de soluciones en isopropanol de 0.7 mg/mL sobre sustratos de óxido de estaño-indio (ITO) tratados con plasma mediante centrifugación a 3,000 rpm durante 30 segundos. Luego recocieron las muestras a 100 °C durante 10 minutos.

Las simulaciones de dinámica molecular indicaron que DTCA se ancló rápidamente al sustrato de ITO y suprimió la agregación de MeO-2PACz. Las mediciones de AFM-IR mostraron una cobertura de superficie de 60.6% para MeO-2PACz solo, 62.2% para MeO-TCA y 82.4% para MeO-DTCA.

El equipo también comparó proporciones molares de MeO-DTCA de 3:1, 4:1 y 5:1 y probó DTCA solo. Identificó la mezcla 4:1 como la formulación óptima.

El ensamblaje molecular | Imagen: The Hong Kong Polytechnic University

"Al mezclar la SAM simétrica estándar de la industria MeO-2PACz con una pequeña molécula asimétrica (DTCA), aumentamos la cobertura de superficie de SAM en más del 30%, medido directamente utilizando un método de análisis AFM-IR recientemente desarrollado", señaló Wu. "Nos sorprendió descubrir que romper estratégicamente la simetría molecular podría desbloquear tantos beneficios para las celdas solares, lo que resultó en mejoras en la calidad de la interfaz, la eficiencia de conversión de energía y la estabilidad operacional".

Los científicos construyeron la celda con una configuración invertida. Se basó en un sustrato de óxido de estaño-indio (ITO), una SAM coensambla da MeO-DTCA como capa selectiva de huecos (HTL), un absorbente de perovskita, una capa de transporte de electrones de éster metílico de ácido butírico fenil-C61 (PCBM) (ETL), una capa amortiguadora de batocuproína (BCP) y un electrodo de plata (Ag).

Explicaron que cuando la cobertura de superficie de las capas de co-SAM se maximiza, la reacción química interfacial bajo estrés eléctrico y la pérdida por recombinación no radiativa se suprimieron efectivamente, resultando en eficiencias de conversión de potencia de 26.32% y 25.34% para áreas de 0.08 cm² y 1 cm², respectivamente. El dispositivo encapsulado retuvo el 93% de su eficiencia inicial después de operar en el punto de máxima potencia (MPP) durante 1,150 horas.

"Este estudio abre varias direcciones emocionantes para investigaciones futuras", concluyó Wu. "La estrategia novedosa probablemente sea aplicable a muchos otros sistemas moleculares, y nos interesa desarrollar una biblioteca más amplia de combinaciones moleculares de ruptura de simetría y establecer reglas de diseño que vinculen la simetría molecular, el momento dipolar y la cobertura de superficie. En segundo lugar, aspiramos a trasladar estos principios de diseño molecular a módulos de gran área y celdas solares en tándem. Finalmente, nuestra metodología cuantitativa de AFM-IR proporciona una nueva forma de estudiar capas moleculares ultrafinas de manera cuantitativa, lo que podría beneficiar no solo la fotovoltaica sino también otros dispositivos que involucren tales capas moleculares".

La investigación, "Symmetry-Breaking Co-Assembly of Conjugated Molecules Boosts Perovskite Photovoltaics", fue publicada en Nature Communications. Científicos de la Universidad Politécnica de Hong Kong de China, la Universidad de Tecnología Avanzada de Shenzhen, la Academia China de Ciencias, la Universidad Politécnica Northwestern, la Universidad de la Gran Bahía, la Universidad de Nueva Gales del Sur de Australia, la Universidad de Surrey del Reino Unido, la Universidad de Corea de Corea del Sur y el Instituto Tecnológico de Karlsruhe (KIT) de Alemania participaron en el estudio.