08 ENE

Estado actual de los sistemas fotovoltaicos basados en perovskitas

Current status of photovoltaic systems based on perovskites

M en Eq. Cristian Moises Díaz Acosta*
Dra. Antonia Martínez Luévanos**
Dra. Lucía F. Cano Salazar
Dr. Tirso E. Flores Guia

Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Autónoma de Coahuila. Blvd. V. Carranza s/n Col. República Oriente C.P.25280. Saltillo, Coahuila, México.
*Correo electrónico: cristian.diaz@uadec.edu.mx
**Correo electrónico: aml15902@uadec.edu.mx

CienciAcierta No. 61, Enero – Marzo 2020
Artículo PDF

Resumen

Los sistemas fotovoltaicos son de gran interés para la sociedad actual debido a la posibilidad de obtener energía eléctrica de manera sustentable. En este sentido, las celdas solares de perovskita (PSCs) son una opción prometedora para este fin; en los pocos años que tienen de existir, han presentado un gran avance en su desarrollo, ofreciendo un incremento en su eficiencia a pasos agigantados. En este trabajo se presenta una revisión de las investigaciones más recientes que involucran a estos dispositivos, con el fin de ofrecer una visión global de la situación actual de los mismos, abordando temas tales como la arquitectura de las PSCs, las películas transportadoras de carga, las principales perovskitas empleadas, la influencia de estos materiales en el desempeño de las mismas al comparar sistemáticamente los resultados obtenidos por diversos grupos de trabajo, lo que permitirá al lector conocer la situación actual de este tipo de dispositivos y las tendencias.

Palabras clave: Celdas solares, Perovskita, Energía solar.

Abstract

The photovoltaic systems are of great interest to today’s society due to the possibility of obtaining electricity in a sustainable way. In this sense, the perovskite solar cells (PSCs) are a promising option for this purpose; in a few years they have presented a great advance in their development and increase in their efficiency by leaps and bounds. This paper presents a review of the recent research involving these devices, in order to offer a point of view of their current situation, addressing issues such as the architecture of the PSC, cargo transporting films, the main perovskites used and the influence of these materials on their performance, by systematically comparing the results of different work groups, which allows the reader to know the current situation of these photovoltaic cells, as well as to observe the trends of this type of devices.Keywords: Solar cells, Perovskite, Solar energy.

Introducción

El desarrollo de dispositivos fotovoltaicos capaces de convertir energía solar lumínica en energía eléctrica, para ofrecer una alternativa sustentable a los requerimientos energéticos actuales, ha conducido a una intensa investigación que permita mejorar el rendimiento de los dispositivos existentes, emplear nuevos materiales que ofrezcan un mejor desempeño, fabricarlas con un menor impacto ambiental, reducir sus costos de producción y facilitando la producción a gran escala (Z. Liu y col.2018).

En este contexto, se ha investigado el uso de perovskitas en sistemas fotovoltaicos, comúnmente conocidos como celdas solares de perovskitas, (PSCs) (de sus siglas en inglés, perovskite solar cells) (Yang y col., 2017). Las perovskitas son estructuras químicas representadas por ABX3 donde “A” corresponde a un catión de gran tamaño ubicado en el centro del cristal; ”B” corresponde a un catión de menor envergadura ubicado en las esquinas, mientras que “X” corresponde a un anión, el cual puede ser oxígeno o un haluro, ubicado en el centro de las aristas de la celda cúbica (Zhang y col., 2018). En la figura 1, se muestra la estructura cristalográfica de perovskita ABOX. Estas estructuras tienen excelentes propiedades ópticas y electrónicas, que las hacen deseables para la construcción de dispositivos fotovoltaicos (Tang, You, & Yan, 2018; Im, 2015). El primer reporte de estos materiales usados en celdas solares data del año 2009. En este trabajo se utilizó como capa fotoactiva en celdas solares sensibilizadas por colorantes, como una alternativa a los colorantes de rutenio, si bien el desempeño de este primer dispositivo no fue el deseado, abrió el camino para el desarrollo de las PSCs.  Este tipo de celdas rápidamente se convirtieron en el foco de atención de la comunidad científica a nivel global, lo que desembocó en una intensa investigación, logrando así su desarrollo y rápida evolución al pasar de 3.8%  hasta 22.1% de eficiencia en 2017 (Liang y col., 2015; Li y col., 2018).

Figura 1: Estructura general de celdas solares de perovskita, movimiento de cargas y estructura cristalográfica de perovskita ABOX.

La arquitectura básica de las PSCs. (figura 1), consiste en un sustrato conductor ópticamente transparente, sobre el cual suele depositarse una capa semiconductora del tipo n (ETL) (de sus siglas en inglés Electron Transporting Layar), sobre este semiconductor es depositada una capa de perovskita, en la cual tiene lugar el efecto fotoeléctrico; unida a dicha capa se encuentra una película transportadora de huecos (HTL) (de sus siglas en inglés Hole Transporting Layar), y por último se coloca como electrodo una película conductora, ya sea un metal o algún otro material conductor. (Forgács y col., 2017; Kogo y col., 2018; Zhao y Zhu, 2014).

La mayoría de las investigaciones en torno a estos dispositivos emplean perovskitas hibridas, es decir, compuestos organometálicos de haluro de plomo. No obstante, se ha incrementado en los últimos años el número de trabajos reportados en los que se emplean perovskitas inorgánicas, en las cuales los portadores de electrones predominantes son óxidos metálicos, mientras que los electrodos como se mencionó, son metales como el oro y la plata, aunque también se emplea carbono. Los vidrios conductores utilizados típicamente son óxido de estaño dopado con flúor (FTO) u óxido de indio y estaño (ITO) en la mayoría de los trabajos reportados. Si bien los compuestos orgánicos empleados en las PSCs son los que han presentado un mejor rendimiento, estos tienen como principal desventaja la inestabilidad, altos costos de producción y un tiempo de funcionamiento relativamente bajo. Por estas razones, la búsqueda de alternativas que no tengan estos inconvenientes es vital para la producción a gran escala y para sustituir las celdas solares comerciales actuales, con sistemas más eficientes (Eperon, y col., 2014; C. Liu y col., 2018; Zhu y col., 2015).

 En este trabajo se presenta un análisis de la información disponible sobre los tipos de perovskitas, los materiales que las conforman y su influencia en el desempeño de estas celdas fotovoltaicas, con la finalidad de dar al lector un panorama global del estado actual y las perspectivas en torno a las investigaciones futuras.

Arquitectura de PSCs

La arquitectura de las PSCs se muestra en la figura 2, esta se puede describir como la unión multicapa de materiales, la cual consiste en la capa conductora de electrones (n), la capa absorbedora de fotones, en la que se lleva a cabo la generación del par electrón hueco o excitón  (i) y la capa conductora de huecos (p); sin embargo, no es la única estructura probada, ya que se han generado celdas tipo (p-i-n) las cuales son comúnmente denominadas PSCs invertidas (Lee y col. 2012). En ambos casos la irradiación solar se lleva a cabo a través del cristal conductor, comúnmente flúor dopado con óxido de estaño (FTO) u óxido de indio y estaño (ITO) (Kogo y col. 2018) aunque también se ha reportado el uso de películas delgadas de grafeno (Luo y col., 2018; Meng y col., 2018). Algunos investigadores han probado irradiar las celdas desde los electrodos conductores; si bien esto no ha presentado una eficiencia de foto-conversión competitiva (Hong y col., 2017; Luo y col., 2018), resulta importante saber que estos dispositivos pueden aprovechar la radiación difusa que incida sobre la otra cara de las PSCs. La nomenclatura usual para indicar la composición de la celda es la siguiente: Vidrio conductor/ETL/Perovskita/HTL/electrodo (Chiang, y col., 2017). Otra forma de clasificar la arquitectura de las celdas de perovskita es separándolas en mesoscópicas y planas, donde las celdas mesoscópicas cuentan con una película mesoporosa de TiO2 depositada sobre una capa compacta de ETL, esta película mesoporosa permite incrementar la longitud de difusión de los electrones a través del dispositivo sin embargo para su preparación se requieren temperaturas alrededor de los 500°C. Por otro lado, las celdas planas no requieren una capa mesoporosa para su ensamble y necesitan temperaturas menores para su procesamiento, lo que permite construir celdas solares flexibles sobre sustratos recubiertos con FTO, sin embargo ofrecen una menor eficiencia de fotoconversión. (Rong, y col 2015; Wojciechowski, y col 2014; You y col., 2014)

Figura 2: a) arreglo de celdas tipo n-i-p, b) arreglo de celda tipo p-i-n, c) celda olar mesoporosa, d) celda solar plana.

Películas portadoras de carga

En la estructura general de las PSCs se requieren un par de capas que puedan separar la carga positiva y negativa una vez generado el éxiton (par electrón hueco); este proceso debe realizarse de manera rápida, para evitar la recombinación, debido a que esto reduce la eficiencia de colección de electrones, lo que a su vez se traduce en voltajes y/o corrientes menores y por ende en una baja eficiencia de fotoconversión. Estas capas de materiales diversos deben acoplarse energéticamente con la perovskita, favoreciendo así la separación del par electrón hueco (Kogo y col., 2018;Eperon y col., 2016; McMeekin y col., 2016; Beal y col., 2016). En la figura 3, se muestra un diagrama de energía y cómo estos materiales se acoplan de tal manera que el flujo de los electrones solo pueda darse en una dirección, es decir, que los electrones solo fluyen hacia el ETL, en este caso TiO2, mientras que los huecos o vacancias se direccionan hacia el HTL, (2,2ʹ,7,7ʹ-tetrakis(N,N-di-p-methoxifenilamina)-9,9ʹ-espirobifluoreno))(spiro.OMeTAD).

Figura 3: Diagrama de energía PSC con FTO/TiO2/MAPbI3/Spiro-OMeTAD/Au modificada de (Hao y col, 2014).

En el caso de las HTL se cuenta con un gran número de posibles materiales para este fin, algunos de los cuales se muestran en la figura 4, entre los materiales más empleados y que han demostrado ser más eficientes en el transporte de huecos se cuentan el (spiro.OMeTAD), la poly(triarilamina) (PTTA) otro material, el Poli(3,4-etilendioxitiofeno)-poli(estireno sulfonato) (PEDOT:PSS)(Kim y col., 2015; Liang y col., 2015); sin embargo, en el interés de mejorar estas películas se han hecho modificaciones en sus estructuras químicas, por ejemplo, a las películas más empleadas como es el caso del Spiro.OMeTAD, en el cual se han reportado cambios en la posición de los sustituyentes p-metoxi(-OMe) en posiciones orto, meta y para, lo que permitió identificar que la posición para es la más eficiente en cuanto a transporte de huecos (Liang y col., 2015;Kogo y col, 2018). Algunos materiales de ingeniería molecular con núcleo de fluoreno-ditiofeno asimétrico simple, sustituido por grupos donantes de N, N-di-p-metoxifenilamina, también han sido empleados para incrementar la movilidad de cargas positivas como el compuesto 2´,7´-bis(bis(4-metoxifenil)amino)spiro[ciclopenta[2,1-b:3,4-b´] diiofeno-4,9´-fluoreno (Saliba y col., 2016). Otros materiales prometedores son las formas alotrópicas del carbono, como los nanotubos de carbono, los cuales se han empleado para este propósito (Bakr y col., 2017).

Figura 4: a) (2,2ʹ,7,7ʹ-tetrakis(N,N-di-p-methoxifenilamina)-9,9ʹ-espirobifluoreno)), b) Poli(3,4-etilendioxitiofeno)-poli(estireno sulfonato) c) poly(triarilamina), d) 2´,7´-bis(bis(4-metoxifenil)amino)spiro[ciclopenta[2,1-b:3,4-b´] diiofeno-4,9´-fluoreno.

Las estructuras inorgánicas también son de interés debido a que presentan mayor resistencia a las condiciones ambientales, por lo que materiales tales como el CuI o NiOx, y los óxidos metálicos dopados con Cu, han sido sujetos a prueba para fungir como HTL (Kim y col., 2015; Zhu y col., 2014; y col., 2016).

Es importante recalcar que el portador de carga negativa debe presentar un valor de brecha energética capaz de impedir el flujo de electrones, pero facilitar la movilidad de los huecos, esto debido a que las partículas con carga negativa generadas por el efecto fotoeléctrico llevado a cabo en la perovskita, son substraídos a través de películas semiconductoras tipo n, de las cuales la más común es el TiO2, ya sea en su fase anatasa, rutilo o incluso brukita (Kogo y col., 2018).

Las películas portadoras de electrones generalmente suelen estar constituidas de TiO2 ya que ha demostrado ser un excelente portador de electrones en esta y otro tipo de celdas solares; en el caso de las PSCs titania se compone de dos capas, una compacta de unos cuantos nanómetros de espesor misma que permite reducir la recombinación de los electrones y una capa porosa, que ayuda a incrementar la longitud de difusión de los electrones, además de servir como soporte para las perovskitas. Sin embargo, es posible encontrar otros óxidos aptos para esto, tal como el SnO2 o el ZnO, así como ambos óxidos en conjunto. Otro colector de electrones, aunque empleado en menor medida, es el fulereno (C60), el cual se ha empleado solo o con Zn (Liang y col., 2015; Meng y col., 2018; Gao y col., 2016). En la tabla 1, se recaba información importante sobre diferentes películas portadoras de carga, tanto HTL como ETL; en esta tabla se puede ver que existe una gran diversidad de materiales, así como su influencia en el desempeño de los dispositivos fotovoltaicos.

En la tabla 1, también se enlistan algunas perovskitas empleadas en la construcción de dispositivos fotovoltaicos; se aprecia su desempeño en términos termodinámicos, considerando el voltaje máximo (Vmax) alcanzado durante su evaluación ante la irradiación solar en Volts, la corriente máxima dividida entre el área expuesta (Jmax), el % de eficiencia (ƞ), es decir la relación de fotones incidentes con respecto a los electrones generados, así como el factor de llenado (FF) que es la capacidad que el dispositivo presenta para separar las cargas que se generan en el efecto fotoeléctrico (Kiermash y col., 2019; Zekry y Eldallal 1987).

Sin embargo, la mayoría de las investigaciones en torno a estos dispositivos emplean perovskitas hibridas, es decir, compuestos organometálicos de haluro de plomo, así como películas conductoras de carga, también orgánicas, lo que tiene como principal desventaja la inestabilidad bajo condiciones ambientales tales como la humedad y temperatura, además de altos costos de producción y un tiempo de funcionalidad relativamente bajo. (Eperon, y col., 2014; Liu y col., 2018).

Como se mencionó con antelación, el uso de interfases que permita una mayor separación de las cargas generadas en el efecto fotoeléctrico, beneficia el desempeño de los dispositivos fotovoltaicos. Entre los parámetros termodinámicos que se presentan en la tabla 1, el factor de llenado es el que más información nos brinda acerca de este proceso, ya que está directamente relacionado con la no recombinación de los excitónes, en general las celdas presentadas en la tabla 1, presentan valores similares de FF, no obstante, si existen diferencias observables, específicamente en el trabajo presentado por (Dong y col 2019), quienes obtuvieron un bajo valor del FF de 0.64 este trabajo en particular no emplea una capa transportadora de huecos, y aunque las perovskitas son capaces de separar las cargas por sí mismas, la separación se ve sensiblemente reducida en comparación con otros dispositivos que emplean películas portadoras de carga (n) y (p). En contraste, el trabajo presentado por (Wang y col., 2018), presentan un FF de 0.8, empleando Spiro-OMeTAD como HTL, el cual es el portador de huecos más empleado en celdas de alta eficiencia. El análisis anterior permite observar la importancia de estas películas en los procesos de transferencia de carga llevados a cabo dentro de las PSCs, si bien, la correcta separación de la carga no es lo único importante, es un factor que al mejorar puede impactar significativamente en la eficiencia de estos dispositivos; en estos dos casos empleados para ejemplificar esto, el mejor de ellos alcanzó una eficiencia de hasta 16.15%, por su parte la que solo empleo una película separadora de carga presenta una eficiencia de 10.00%.

Perovskitas

Como se ha mencionado, el efecto fotoeléctrico se lleva a cabo en la perovskita, permitiendo la generación de corriente eléctrica en estos dispositivos; esto se puede describir como la promoción de un electrón desde la banda de valencia de las perovskitas hacia la banda de conducción, seguido de la movilidad de los electrones y huecos (excitónes) en sentidos opuestos: siendo el primer proceso en ocurrir la generación del exitón o par electrón hueco, ecuación 1, para posteriormente ser separados a través de las películas semiconductoras, dicha movilidad se expresa en las ecuaciones 2 y 3 para el electrón en películas tipo n, mientras que lo ocurrido en las películas tipo p se describe en las ecuaciones 4 y 5 (Jiang y col., 2015).

Las celdas solares de perovskita que han mostrado una mayor eficiencia son aquellas conformadas por haluros organometálicos como el CH3NH3PbX3 (MAPbI3)(J. Zhang y col., 2018); esta perovskita en particular, presenta una gran capacidad para absorber la luz con una banda prohibida superior a 1.55 eV (Hao y col., 2014), gran longitud de difusión, transporte de carga ambipolar y su capacidad de procesamiento en solución la hacen una gran opción para estos dispositivos. Sin embargo, suelen ser inestables a temperaturas superiores a los 85 °C, temperatura fácilmente alcanzada por los paneles bajo los rayos del sol, además de esto, presentan una baja energía de formación, baja conductividad térmica  y un cambio de fase próximo a los 40° C, lo que limita la vida útil de estos materiales (Hao y col., 2014); otra perovskita organometálica comúnmente empleada es la CH(NH2)2PbI3 (FAPbI3), la cual presenta una banda prohibida de entre 1.48 a 2.23 eV, lo cual la hace una opción viable para su uso en PSCs, al compartir características similares a las de MAPbI3, con la ventaja de ser más estable a temperaturas altas, sin embargo, no es estable en la estructura cúbica y tiende a transformarse en una estructura hexagonal y convertirse en no fotoactiva (Targhi y col., 2018). También han sido reportados diversos trabajos en los cuales se sintetizan perovskitas, cuyo haluro puede ser Br o Cl, y en ocasiones mezclas de estos, como CH3NH3PbIBr o CH3NH3PbI2Br0.9 (Hu y col., 2015) con una banda prohibida de 1.7eV. Estas mezclas de haluros no solo poseen un buen valor de banda prohibida, sino también características como buena estabilidad térmica. Al igual que MAPbI3, las perovskitas organometálicas, en general, no suelen ser estables, por lo que se ha buscado aprovechar la estabilidad inherente a los compuestos inorgánicos. Debido a esto, el uso de especies como el CsPbI3, RbPbI3 o CsGeI3 es cada vez más común y son una opción para su aplicación a gran escala. (Sutton y col., 2016; y col., 2018; Yavari y col., 2018).

Es sabido que las perovskitas compuestas por CsPbI presentan una banda prohibida próxima a 1.93 eV, así como una estabilidad térmica alta, y resistencia a la humedad (Sutton y col., 2016); por otro lado, con el fin de aprovechar la banda prohibida de las perovskitas organometálicas y la estabilidad de las perovskitas inorgánicas (como los mostrados en la tabla 1), se han sintetizado y probado perovskitas como la RbCsMAFAI3, la cual presenta un ancho de banda de 1.62 eV, y combina las propiedades de las perovskitas organometálicas e inorgánicas; si bien su estabilidad térmica no es tan amplia como la de las perovskitas inorgánicas, su desempeño mejora notablemente.

Tabla 1. Recopilación de celdas solares de perovskita, su arquitectura, películas portadoras de carga, tipos de perovskitas y parámetros termodinámicos del desempeño de estos dispositivos.

Como puede apreciarse, el tipo de perovskitas empleadas en la fabricación de PSCs es de gran importancia. Aunque algunos de estos dispositivos presentan eficiencias muy altas, cabe resaltar que estás son celdas solares ensambladas a escala laboratorio, por lo que aún se requiere de una gran investigación para su aplicación bajo condiciones medioambientales no controladas y su construcción a escala industrial. Un ejemplo de ello es el trabajo reportado por (Kogo y col 2018). Quienes reportan una eficiencia superior al 21%, un FF de 0.79, 24.9 mA/cm2 y 1.3 V/cm2, en este trabajo se aprecia más claramente la influencia de los parámetros termodinámicos, en particular el factor de llenado, ya que a pesar de ser apenas inferior al 0.8 obtenido por (Wang y col., 2018), la eficiencia del primero es por mucho superior; esto se debe a que el FF nos brinda información de qué tan bien se separa la carga, mientras que el amperaje y el voltaje están relacionados con cuantos electrones se generan en la perovskita y fluyen a través de la celda, ya que la perovskita es la encargada de generar el excitón. Comparativamente hablando, las perovskitas hibridas orgánicas presentan un mejor desempeño que las conformadas por perovskitas inorgánicas, cabe recordar que el desarrollo de estas últimas está motivado por la mayor estabilidad térmica, por lo que para ambos tipos de perovskita aún se requiere una investigación enfocada en combinar la gran eficiencia alcanzada por las primeras y las propiedades de las segundas.

Conclusiones

La intensa investigación en torno a los materiales que integran las celdas solares de tipo perovskita ha permitido a estos dispositivos alcanzar eficiencias que las hacen una opción real para su aplicación en la generación de energía limpia, sin embargo, aún se requieren materiales que permitan optimizar aún más a estos dispositivos, reduciendo la degradación que presentan los materiales orgánicos a temperaturas relativamente bajas, y mejorar el desempeño de los materiales inorgánicos, en este sentido, las tendencias en esta área en un futuro próximo se verá enfocado en la obtención de sistemas que sean capaces de combinar las ventajas de ambos tipos de materiales, sin las desventajas inherentes a los mismos.

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Post Author: Cristian Moises Díaz Acosta