La estrategia de MoS₂ mesoporoso aumenta la eficiencia y la estabilidad de las celdas solares de perovskita.

31 de octubre de 2024

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por Ingrid Fadelli, Phys.org

La eficiencia y el rendimiento de la energía fotovoltaica (PV) han mejorado significativamente en las últimas décadas, lo que ha llevado a un aumento en la adopción de tecnologías solares. Para mejorar aún más el rendimiento de las células solares, los investigadores de energía en todo el mundo han estado ideando y probando estrategias de diseño alternativas, aprovechando diferentes materiales y estructuras de células.

Una clase de células solares que han demostrado resultados prometedores son aquellas basadas en perovskitas híbridas orgánico-inorgánicas, materiales con diversas propiedades ventajosas. Si bien estas células han alcanzado eficiencias de más del 25%, a menudo son inestables y sensibles a varios estímulos externos (por ejemplo, la luz ultravioleta y el oxígeno), lo que dificulta su implementación a gran escala.

Investigadores del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan, la Universidad de Corea y otras instituciones introdujeron recientemente una nueva estrategia posible para aumentar la eficiencia y estabilidad de las células solares de perovskita. Esta estrategia, descrita en un artículo publicado en Nature Nanotechnology, implica el uso de disulfuro de molibdeno estructurado mesoporoso (MoS2) como capa de transporte de electrones (ETL) en las células solares de perovskita.

‘Las capas de transporte de electrones (ETL) estructuradas mesoporosas en células solares de perovskita (PSC) tienen un mayor contacto superficial con la capa de perovskita, lo que permite una separación y extracción de cargas efectivas y dispositivos de alta eficiencia,’ escribieron Donghwan Koo, Yunseong Choi y sus colegas en su artículo.

‘Sin embargo, el material ETL más ampliamente utilizado en PSC, TiO2, requiere una temperatura de sinterización de más de 500 °C y experimenta una reacción fotocatalítica bajo la iluminación incidente que limita la estabilidad operativa. Los esfuerzos recientes se han centrado en encontrar otros materiales ETL alternativos, como SnO2.’

Basándose en esfuerzos de investigación anteriores, Koo, Choi y sus colegas se propusieron mejorar el rendimiento de las células solares de perovskita utilizando ETL con una estructura mesoporosa. Esto básicamente significa que el material utilizado para estas capas tiene poros pequeños (que van de 2 a 50 nm de tamaño).

Específicamente utilizaron MoS2 mesoporoso, un material versátil con propiedades optoelectrónicas que se ha utilizado previamente para desarrollar baterías, fotodetectores, diodos emisores de luz (LED) y otras tecnologías. Los investigadores descubrieron que al introducir un ETL de MoS2 mesoporoso, las células solares mostraban una eficiencia por encima del 25% y una buena estabilidad.

‘La capa intermedia de MoS2 aumenta el área de contacto superficial con la capa de perovskita adyacente, mejorando la dinámica de transferencia de carga entre las dos capas,’ escribieron Koo, Choi y sus colegas.

‘Además, la coincidencia entre MoS2 y las retículas de perovskita facilita el crecimiento preferencial de cristales de perovskita con baja tensión residual, en comparación con TiO2. Utilizando MoS2 estructurado mesoporoso como ETL, obtenemos células solares de perovskita con eficiencias de 25.7% (0.08 cm2, certificado 25.4%) y 22.4% (1.00 cm2).’

En las pruebas iniciales, las células solares del equipo lograron resultados muy prometedores, comparándose favorablemente con las células solares con un ETL de TiO2. Notablemente, se descubrió que las células solares de perovskita con un MoS2 mesoporoso también conservaban su estabilidad y el 90% de su eficiencia inicial de conversión de energía (PCE) después de operar bajo iluminación continua durante más de 2,000 horas.

Estos resultados alentadores podrían informar los esfuerzos futuros destinados a aumentar la eficiencia y estabilidad de las células solares de perovskita orgánico-inorgánico mediante la introducción de una capa de MoS2 estructurada mesoporosa. Estos esfuerzos podrían ayudar a llevar el rendimiento de las células solares de perovskita al nivel de los PV basados en silicio, contribuyendo a su futura implementación generalizada.

Más información: Donghwan Koo et al, Mesoporous structured MoS2 as an electron transport layer for efficient and stable perovskite solar cells, Nature Nanotechnology (2024). DOI: 10.1038/s41565-024-01799-8.

Información del diario: Nature Nanotechnology

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