Nuevos fotoánodos y nuevos materiales transportadores de huecos para la fabricación de celdas solares fotovoltaicas basadas en perovskita

Abstract

Las celdas solares de perovskita (PSC, del inglésperovskite solarcells) seconsideran uno de los ejemplos más recientes de tecnología fotovoltaica para transformar de formadirecta la luz solar en electricidad. Aunque las perovskitas son materiales conocidosdesde 1839, laimplementación deperovskitas híbridas orgánicas-inorgánicas como materiales absorbentes de luzen aplicacionesfotovoltaicas es mucho más reciente, teniendo un espectacular desarrollo desde 2012. Durante este breve periodo, la evolución de esta tecnología ha sido rápida y productiva, habiéndose alcanzadoeficiencias en la conversión >20% a escala de laboratorio. En una celda solar típica, la capa de perovskita queabsorbe la luz solar se ubicaentre un material transportador de electrones (ETM, del ingléselectron-transporting material) y un material transportador de huecos (HTM, del ingléshole-transporting material). Habitualmente, la capa de ETM que conforma el fotoánodo consta deuna lámina mesoporosa de óxidos metálicos, fundamentalmenteTiO2, aunquese pueden encontrar otros materiales semiconductores tipo-n.A pequeña escala, el ETM se puede depositarmediantespin-coating, pero este proceso no es escalableni homogéneoy requiere un gran consumo de productos.En el caso de los HTM, moléculas como 2,2',7,7'-Tetrakis[N,N-di(4-metoxifenil)amino]-9,9'-spirobifluoreno (Spiro-OMeTAD) y Poli(triarilamina) (PTAA) han sido ampliamentedocumentadas por su interesantecomportamiento. Sin embargo, su elevado coste y lanecesidad de añadir ciertos aditivos para su correcto funcionamiento que disminuyen la estabilidad de las celdas solaresse han descrito como limitaciones en el estado del arte. Para solventar losproblemasrelacionados con el ETM,en primer lugar, se han fabricado PSC con fotoánodos basados en columnas de ZnO preparadas mediantedeposición química en fase vapor mejorada por plasma (PECVD, del inglés plasma-enhanced chemicalvapordeposition). En segundo lugar, mediante la técnica de deposición física en fase vapor bajo ángulo de incidencia oblicuo (PVD-OAD del inglésphysicalvapordepositionatoblique angle deposited), se han preparado láminas porosasnanocolumnares de TiO2que se han introducido como ETM poroso de PSC, donde se analizalamorfológicas del fotoánodo ysu influencia en las propiedades fotovoltaicas. Por último, con la misma técnica PVD-OAD,se han diseñado cristales fotónicos porosos de 1-dimensión (1-DPC, del inglés 1-dimensionalphotonic crystal) que se aprovechancomofotoánodos de PSC con propiedades ópticas y absorbentesmejoradas. Todas las técnicas de deposición usadas en estosfotoánodos aúnanfácilescalado así comobuencontroly homogeneidad sobre grandes superficies. Por otro lado, se han introducidonuevosHTM para fabricarPSC. Los HTM analizados presentan orbitales moleculares con niveles energéticos de alta ocupación (HOMO, del ingléshighest occupiedmolecular orbital) compatibles con la bandade valencia de la perovskita, haciendo posible la inyección del hueco electrónico. El derivado del pentaceno soluble en disolventes orgánicos llamado TIPS-pentaceno, ha sido empleado como HTM de PSC sin incluir ningún tipo de aditivo en su formulación. También se ha demostrado como HTM de PSCla nuevamolécula basadaen ftalocianina (llamada TT80),que no presenta agregación. Por último, se han concebido dos compuestos orgánicos basados en triazatruxeno (llamados HMDI y HPDI) con alta solubilidad en disolventes orgánicos que se han implementado como HTM de PSC con buen comportamiento y estabilidad. En conclusión, gracias al uso de nuevas estructurasporosas comoETM y novedososmaterialescomoHTM, se han aportado nuevasde posibilidades en el campo de las PSCque permiten vislumbrarnuevas rutas interesantes de cara al futuro desarrollo y comercialización de esta tecnología.