Gran avance en la fabricación de células solares de bajo coste que también bloquean los gases de efecto invernadero

Las células solares de perovskita han progresado en los últimos años con un rápido aumento de la eficiencia de conversión de energía (del 3% en 2006 al 25,5% actual), lo que las hace más competitivas con las células fotovoltaicas de silicio. Sin embargo, aún quedan varios retos por superar antes de que puedan convertirse en una tecnología comercial competitiva.

Ahora, un equipo de la Escuela de Ingeniería Tandon de la Universidad de Nueva York ha desarrollado un proceso para resolver uno de ellos, un cuello de botella en un paso crítico que implica el dopaje de tipo p de los materiales orgánicos de transporte de huecos dentro de las células fotovoltaicas.

En la actualidad, el proceso de dopaje p, que se consigue mediante la entrada y difusión de oxígeno en la capa transportadora de huecos, requiere mucho tiempo (de varias horas a un día), lo que hace inviable la producción comercial en masa de células solares de perovskita.

El equipo de Tandon, dirigido por André D. Taylor, profesor asociado, y Jaemin Kong, asociado postdoctoral, junto con Miguel Modestino, profesor asistente -todos ellos del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular-, descubrió un método para aumentar enormemente la velocidad de este paso clave mediante el uso de dióxido de carbono (CO2) en lugar de oxígeno.

En las células solares de perovskita, normalmente se necesitan semiconductores orgánicos dopados como intercalares de extracción de carga situados entre la capa fotoactiva de perovskita y los electrodos.

La forma convencional de dopar estas capas intermedias consiste en añadir bis(trifluorometano)sulfonimida de litio (LiTFSI), una sal de litio, a spiro-OMeTAD, un semiconductor orgánico π-conjugado muy usado como material transportador de huecos en las células solares de perovskita. El proceso de dopaje se inicia exponiendo las películas de mezcla de espiro-OMeTAD:LiTFSI al aire y a la luz.

Este método no sólo requiere mucho tiempo, sino que depende en gran medida de las condiciones ambientales.

Por el contrario, Taylor y su equipo presentaron un método de dopaje rápido y reproducible que consiste en burbujear una solución de espiro-OMeTAD:LiTFSI con CO2 bajo luz ultravioleta. Descubrieron que su proceso mejoraba rápidamente la conductividad eléctrica de la capa intermedia en 100 veces en comparación con la de una película de mezcla prístina, que también es aproximadamente 10 veces mayor que la obtenida con un proceso de burbujeo de oxígeno. La película tratada con CO2 también dio lugar a células solares de perovskita estables y de alta eficiencia sin necesidad de ningún tratamiento posterior.

Además de acortar el tiempo de fabricación y procesamiento del dispositivo, la aplicación del spiro-OMeTAD predopado en las células solares de perovskita hace que las células sean mucho más estables. Eso se debe en parte a que la mayoría de los iones de litio perjudiciales de la solución spiro-OMeTAD:LiTFSI se estabilizaron como carbonatos de litio durante el proceso de burbujeo de CO2.

Jaemin Kong

Añadió que los carbonatos de litio acaban siendo filtrados cuando los investigadores hacen un spincast de la solución predopada sobre la capa de perovskita.

Así, podemos obtener materiales orgánicos dopados bastante puros para obtener capas transportadoras de agujeros eficientes.

Jaemin Kong

El equipo, que incluía investigadores de Samsung, la Universidad de Yale, el Instituto de Investigación de Tecnología Química de Corea, el Centro de Postgrado de la Universidad de la Ciudad, la Universidad de Wonkwang y el Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju, también descubrió que el método de dopaje con CO2 puede utilizarse para el dopaje de tipo p de otros polímeros π-conjugados, como PTAA, MEH-PPV, P3HT y PBDB-T. Según Taylor, los investigadores pretenden ir más allá de los semiconductores orgánicos típicos utilizados en las células solares.

En un momento en el que tanto los gobiernos como las empresas quieren reducir las emisiones de CO2, si no descarbonizar, esta investigación ofrece una vía para hacer reaccionar grandes cantidades de CO2 en carbonato de litio con el fin de mejorar la próxima generación de células solares, a la vez que se elimina este gas de efecto invernadero de la atmósfera.

Jaemin Kong

Más información: www.nature.com

Vía www.nyu.engineering

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