Ventajas de utilizar nanofotónica en células solares de perovskita

Ventajas de utilizar nanofotónica en células solares de perovskita


En un artículo de revisión publicado en el Investigación en fotónica avanzada Journal, se discutieron los beneficios del uso de nanofotónica en células solares de perovskita para mejorar la eficiencia general y el desarrollo de células solares en tándem.

Células solares de perovskita

Aprender: Nanofotónica para células solares de perovskita. Crédito: Stock inteligente/Shutterstock.com

​​​​​Ventajas del uso de perovskitas de haluros para aplicaciones fotovoltaicas

Las perovskitas basadas en haluros son sustancias semiconductoras prometedoras para diversas aplicaciones que requieren la emisión o absorción de luz. Los sistemas fotovoltaicos se encuentran entre las más importantes de estas aplicaciones.

Aunque la eficiencia general de tales células fotovoltaicas fue inicialmente de solo el 3,8 por ciento, las ventajas como la reducción de los costos de producción, la falta de desechos dañinos en la producción y las intrigantes propiedades electrofísicas de las perovskitas basadas en haluros impulsaron la investigación de sus perspectivas fotovoltaicas.

Perovskita frente a fotovoltaica basada en silicio

Las conocidas células fotovoltaicas de película delgada que compiten con las células solares de perovskita (PSC) recientemente propuestas están hechas de silicio amorfo (a-Si) con un electrodo pulido en la parte posterior. Sin embargo, las celdas fotovoltaicas A-Si simplemente no son flexibles debido al uso de un electrodo de metal pulido que actúa como un reflector de la luz solar que pasa a través del silicio amorfo.

La eficiencia global de dichas células fotovoltaicas se ha estimado en torno al 10%. Mientras tanto, las células solares de perovskita lograron una eficiencia de conversión fotovoltaica del 18%.

La eficiencia general de las PSC de película delgada es del 25,5 % en combinación con la flexibilidad. La necesidad de flexibilidad reduce la eficiencia de las células fotovoltaicas basadas en silicio amorfo. No ocurre lo mismo con las perovskitas basadas en haluros. Por su naturaleza arcillosa, son adaptables y permiten la combinación de diferentes aniones y cationes.

Debido a que las perovskitas basadas en haluros son más flexibles, blandas y más tolerantes a las fallas generadas después de la incorporación de nanomateriales que no son de perovskita, las estructuras nanofotónicas demostraron ser más difíciles de incorporar en los módulos fotovoltaicos basados ​​en Si que las estructuras de perovskita.

Desarrollo de celdas solares en tándem usando perovskitas de haluro

El uso de perovskitas basadas en haluros permitió a los científicos diseñar células fotovoltaicas en tándem de bajo costo con diferentes niveles de capas de perovskita para dividir eficientemente el espectro de la luz solar recolectada.

Los espectros separados de la luz solar son capturados por diferentes secciones fotovoltaicas en SC en tándem. Reduce significativamente las pérdidas por relajación de los portadores de carga fotogenerados.

El excelente contacto eléctrico entre la perovskita y el Si cristalino permitió un diseño propuesto de bajo costo para SC en tándem hibridadas, incluida una capa de perovskita a nanoescala en una losa de Si. Este tipo de celda tándem de perovskita evita la desventaja fundamental de las PSC convencionales: su eficiencia es menor que el número máximo (Shockley-Queisser).

Problemas de estabilidad de los PSC

La estabilidad de las propiedades de las células solares de perovskita es crucial, y esto ha demostrado ser un desafío difícil para las perovskitas basadas en haluros y las sustancias adecuadas para el transporte de huecos.

Su estabilidad indica una larga vida útil frente a los cambios ambientales en términos de humedad, calor y radiación UV. Mientras tanto, se han descubierto algunas estrategias tecnológicas para mejorar la estabilidad de las células solares de perovskita sin comprometer sus propiedades fotovoltaicas.

Aunque la estabilidad de las perovskitas sólidas frente a las condiciones ambientales anteriores aún limita la vida útil de las PSC, esta estabilidad ha aumentado al mismo ritmo que la eficiencia general de las PSC.

Incorporación de nanopartículas de oro y plata en fotovoltaica

Anteriormente, las matrices de nanopartículas de oro y plata que utilizan el fenómeno de resonancia plasmónica se han utilizado para mejorar las células solares como las células fotovoltaicas a-Si, las células fotovoltaicas orgánicas y los LED.

No es inesperado que estas nanopartículas también puedan ser útiles en las PSC. La nanofotónica totalmente dieléctrica ha ampliado las capacidades de los LED, los fotodiodos y los láseres basados ​​en perovskitas.

Perspectivas de futuro de las empresas privadas de seguridad

Una vez que la nanofotónica haya demostrado su capacidad superior para mejorar las PSC, se pueden prever mejoras futuras en conceptos innovadores basados ​​en componentes de baja pérdida, técnicas económicas a gran escala, tándems sofisticados con nanoestructuras y un uso generalizado del aprendizaje automático.

El equipo cree que los dispositivos multipropósito basados ​​en perovskita mejorados con componentes nanofotónicos serán muy populares en un futuro próximo.

Por ejemplo, las células solares han demostrado recientemente numerosas capacidades adicionales, incluidos SC con generadores fotoelectroquímicos basados ​​en hidrógeno integrados, SC emisores de luz, transistores, fotodetectores, fotobaterías y sinapsis fotónicas.

Integran carga fotoinducida, emisión de luz, almacenamiento de energía y una corriente de iones fotoinducida, que son funciones fotovoltaicas, LED, batería y neurona, respectivamente. Estos dispositivos pueden funcionar en armonía con otros sistemas, lo que permite que algunos fotones funcionen para dispositivos de perovskita translúcidos, mientras que otra parte del espectro impulsa funciones adicionales.

fuente

Furasova, A., Voroshílov, P. y otros. (2022). Nanofotónica para células solares de perovskita. Investigación en fotónica avanzada. Disponible en: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adpr.202100326

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