Desarrollan celdas solares de perovskitas en el IER

Autor: Nicté Luna
2 de agosto de 2021

En la exploración de tecnologías para cosechar la energía solar y transformarla en energía eléctrica han surgido diferentes tipos de celdas solares. En el Instituto de Energías Renovables de la UNAM (IER-UNAM) se ha trabajado desde hace más de quince años en la investigación de celdas solares emergentes que usan técnicas de fabricación de bajo costo energético para las capas activas de las celdas. Recientemente se han enfocado en las celdas solares de perovskitas, que son las que han mostrado mayor eficiencia de todos los tipos de celdas solares emergentes.

“Estas celdas consisten principalmente en tres capas semiconductoras y dos electrodos. Las tres son: (1) una capa conductora de electrones, que puede ser un material inorgánico como óxido de titanio (TiO2), óxido de zinc (ZnO), óxido de estaño (SnO2), u orgánico como PCBM; (2) una capa de perovskita, como el tri-yoduro de plomo metilamonio (MAPbI3); (3) una capa conductora de huecos, que puede ser inorgánico como óxido de níquel (NiOx), u orgánico como Spiro-OMeTAD, poli(3-hexiltiofeno), entre otros. Todas estas capas, excepto la de Spiro-OMeTAD, son preparadas por métodos de solución bajo condiciones ambientales, más un proceso de tratamiento térmico a temperaturas relativamente bajas”, comenta la Dra. Hailin Zhao Hu, investigadora del IER-UNAM.

Mejoramiento en la estabilidad de la celdas solares de perovskitas Los principales retos que enfrenta esta nueva generación de tecnología fotovoltaica son mejorar su rendimiento y estabilidad puesto que distintos factores externos como la humedad, la temperatura, las soluciones precursoras, la iluminación durante su fabricación e incluso los campos magnéticos influyen en su comportamiento.

En este sentido, el grupo de investigación de la Dra. Hailín Zhao recientemente estudió cómo mejorar la estabilidad de celdas solares de perovskita en un ambiente con una humedad relativa de 60%, para ello modificaron la composición química de anti-disolventes que aplican durante el proceso de preparación de capas de perovskita para que se queden moléculas que repelen el agua en la superficie de las películas de perovskita y de esta manera mejorar la resistencia a la humedad.

“A través de los análisis de la superficie de las capas de perovskita, sí se detectó la presencia de estas moléculas, así como el aumento de la hidrofobicidad de la misma”, añadió la Dra. Zhao Hu.

En el laboratorio de celdas solares híbridas, también se ha investigado cómo mejorar la estabilidad química de la interfaz entre óxido de zinc (ZnO) y perovskita. “Se depositó una capa de unos dos nanómetros de espesor de aluminio metálico sobre la superficie de una película delgada de ZnO, y con un tratamiento térmico se logró convertir la capa metálica de aluminio en óxido de aluminio”, comenta la Dra. Zhao Hu.

De acuerdo con la especialista, dicha conversión se confirmó mediante el análisis de la composición química de la superficie de las capas de ZnO, así como la modificación de los niveles de Fermi de las mismas por la presencia de la capa de óxido de aluminio con un espesor no más de dos nanómetros.

“En ambos trabajos se logró mejorar la estabilidad de las celdas en condiciones ambientales con mejores eficiencias arriba del 16% de manera reproducible. En el primer trabajo se logró mantener un 90% de la eficiencia original de las celdas después de más de seis meses de almacenamiento en condiciones ambientales, y en el segundo caso las celdas se mantuvieron más del 90% de las eficiencias originales después de una irradiación continua por media hora”, comenta la Dra. Zhao Hu.

“Estos dos trabajos se resumieron en dos solicitudes de patente sometidas ante el Instituto Mexicano de Propiedad Industrial en el primer semestre del 2021”, añadió.

Serendipia: el campo magnético influye en la celda solar de perovskita

Una serendipia sucedió en uno de los laboratorios de celdas solares híbridas del IER-UNAM, encontraron una relación entre el campo magnético y la calidad de la celda solar de perovskita. Esto les llevó a estudiar la influencia de campos magnéticos en la celda solar de perovskita. Aplicaron un campo magnético a la capa de yoduro de plomo –que, al agregarle yoduro de metilamonio, se transforma en perovskita– y demostraron que la magnitud y la dirección de éste se puede utilizar para modificar la morfología de la superficie de las películas de perovskita para mejorar el rendimiento de esta tecnología.

“Hicimos una variación de la técnica del campo magnético y logramos hacer, en una área pequeña, modificaciones en la capa del yoduro de plomo que eventualmente es la que transforma en perovskita. El material se deposita y se crean pequeñas montañas, con el campo magnético pudimos controlar la distancia a la que estaban distribuidas esas montañas, las alejábamos o acercábamos y ahí llegamos a una morfología que era la más adecuada para la celda solar”, comenta el Dr. Aziel Corpus Mendoza, catedrático CONACYT del IER-UNAM.

De acuerdo con el catedrático, definir cómo funciona esta técnica es una oportunidad para que se aproveche en el desarrollo de otros dispositivos, no necesariamente celdas solares.

Los retos continuan

“La mejor eficiencia de conversión de luz a electricidad en nuestro laboratorio ha sido el 19% en un área pequeña (0.105 cm2). A diferencia de las celdas más eficientes reportadas en la literatura que fueron preparadas en un ambiente inerte (nitrógeno), las capas de perovskita de nuestras celdas fueron preparadas bajo condiciones ambientales”, agregó la Dra. Zhao Hu.

Este grupo de investigación del IER-UNAM tiene aún varias metas para mejorar sus celdas solares de perovskitas, tales como mejorar la resistencia a la humedad del ambiente; reemplazar reactivos tóxico por unos ambientalmente más amigables; reemplazar materiales por otro menos costoso y estable; integrar celdas solares con los dispositivos de almacenamiento de energía para que sean un sistema integral; así como optimizar los procesos de fabricación de celdas para que los productos obtenidos sean más reproducibles.

Por otro lado, el grupo de trabajo de este laboratorio ha incursionado en el desarrollo de materiales didácticos para la enseñanza sobre cómo preparar celdas solares, tal como talleres y el desarrollo de un videojuego, según el Dr. Corpuz Mendoza.

“Los resultados obtenidos son esfuerzos principalmente por los estudiantes de doctorado del IER-UNAM. A pesar de haber logrado algunos avances en la estabilidad de las celdas solares de perovskita, todavía hay muchos retos científicos y tecnológicos a vencer para que los experimentos en el laboratorio puedan ser transferidos algún día. La perseverancia es fundamental para lograr avances científicos en cualquier tema de investigación”, concluyó la Dra. Zhao Hu.

Más información:

1. Corpus-Mendoza, AN;Cruz-Silva, BS; Ramirez-Zuniga, G; Moreno-Romero, PM; Liu, F; Hu, HL. (2020). "Use of Magnetic Fields for Surface Modification of PbI2 Layers to Increase the Performance of Hybrid Perovskite Solar Cells" JOURNAL OF ELECTRONIC MATERIALS, Volúmen 49, No. 5, páginas 3106, DOI:10.1007/s11664-020-08009-w

2. Carlos Fabian Arias-Ramos, Yogesh Kumar, Paola Gabriela Abrego-Martínez, Hailin Hu, Efficient and stable hybrid perovskite prepared at 60% relative humidity with a hydrophobic additive in anti-solvent, Solar Energy Materials & Solar Cells 215 (2020) 110625 (9 pages), https://doi.org/10.1016/j.solmat.2020.110625

3. Carlos A. Rodríguez-Castañeda, Paola M. Moreno-Romero, Asiel N. Corpus Mendoza, Guillermo Suárez, Margarita Miranda Hernandez, Mérida Sotelo-Lerma, Mérida, Hailin Hu, THERMAL EVAPORATION-OXIDATION DEPOSITED ALUMINUM OXIDE AS AN INTERFACIAL MODIFIER TO IMPROVE THE PERFORMANCE AND STABILITY OF ZINC OXIDE BASED PLANAR PEROVSKITE SOLAR CELLS, ACS Appl. Energy Mater. 3 (2020) 9618–9627, https://dx.doi.org/10.1021/acsaem.0c01106

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