Estudio computacional de celdas solares de perovskita totalmente inorgánicas utilizando 𝑪𝒔𝑷𝒃𝑰3 como capa absorbente

PINZON CARLOS; MARTINEZ NAHUEL; CASAS GUILLERMO; CAPPELLETTI MARCELO; ALVIRA, F. C.

Congreso; XXI Encuentro de Superficies y Materiales Nanoestructurados; 2022

Universidad Nacional de Rio Cuarto

El aumento de consumo energético promueve el uso de nuevas tecnologías basadas en fuentes de energía renovables para generar electricidad, siendo la energía solar una de las fuentes más prometedoras. Un ejemplo en argentina es; el parque solar Cauchari, siendo la segunda planta de energía solar más grande de Latinoamérica. Por lo tanto, el estudio de las propiedades microscópicas de los materiales, junto con las técnicas de modelado y simulación son herramientas fundamentales para predecir y analizar el comportamiento de los dispositivos. Actualmente las celdas de silicio monocristalinas son las celdas más eficientes en el mercado (≈23%), pero su costo de fabricación es elevado y poco amigable con el medio ambiente. Por eso, el desarrollo de nuevas celdas fotovoltaicas, como las celdas solares de perovskita (CSP) se presentan como una de las opciones viables. Esta tecnología, presenta ventajas frente a las tradicionales de Si tales como su amplio coeficiente de absorción, su flexibilidad mecánica o bajo costo de fabricación. Por otro lado, el principal problema de las CSP para su comercialización es su falta de estabilidad térmica, lo que hace que la capa perovskita se degrade y por ende la vida útil de la celda sea baja en comparación a las de silicio. Las celdas que mayor eficiencia de conversión de potencia (PCE) han presentado son las denominadas hibridas (orgánicas-inorgánicas) basadas en haluros con estructura de perovskita de la forma 𝑀𝐴𝑃𝑏𝑋3, donde MA es el metilamonio 𝐶𝐻_3 𝑁𝐻_3 y 𝑋 es 𝐶𝑙, 𝐵𝑟 o 𝐼; este tipo de celdas han pasado de una eficiencia del 3.8% (2009) a un 25.7% (2022). Sin embargo, las CSP hibridas son las que mayor problema de estabilidad presentan. Una de las CSP que presentan una mayor estabilidad térmica son las totalmente inorgánicas con estructura invertida p-i-n, compuestas por la capa de perovskita 𝐶𝑠𝑃𝑏𝐼3 sin embargo, estas celdas presentan una menor eficiencia que las hibridas, logrando alcanzar un PCE del 19.25%. Por medio de simulaciones numéricas utilizando el software SCAPS-1D, se estudió el impacto de las CSP inorgánicas invertidas del uso de diversos materiales para las capas transportadoras de electrones (ETL por sus siglas en ingles) y de huecos (HTL) de la estructura, con la finalidad de maximizar dicha eficiencia. Se utilizaron materiales inorgánicos de tipo p (𝑁𝑖𝑂, 𝐶𝑢2𝑂, 𝐶𝑢𝑆𝐶𝑁 y 𝐶𝑢𝐼) y de tipo n (𝑍𝑛𝑂, 𝑇𝑖𝑂2 y 𝑆𝑛𝑂2), con el fin de encontrar la combinación de HTL y ETL que generen la mejor eficiencia. A continuación, manteniendo como ETL y HTL dichos materiales, estudiamos la influencia del espesor, la densidad de impurezas aceptoras y la densidad de defectos en la capa de perovskita en el rendimiento de la celda. Los resultados permiten identificar que 𝐶𝑢𝐼 y 𝑍𝑛𝑂 son los materiales más apropiados como HTL y ETL, respectivamente, llegando a encontrar una eficiencia máxima de la celda de 26.48%. A partir de identificar los materiales de las capas ETL/HTL y de ciertos parámetros de la capa de perovskita, los resultados teóricos tienen como objetivo mejorar el proceso de fabricación de CSP totalmente inorgánicos invertidos.