Avances para la fabricación de células solares de bajo coste

La URJC lidera un estudio con resultados prometedores para mejorar el funcionamiento de células fotovoltaicas basadas en perovskitas que han revolucionado la fabricación de sistemas de energía solar por su flexibilidad y ligereza

Durante los últimos 10 años, las células solares basadas en perovskitas han atraído un gran interés dentro de la comunidad científica fotovoltaica. Este hecho se debe a la eficiencia alcanzada de más de un 25% por estos dispositivos, así como al bajo coste y fácil escalabilidad de la tecnología de fabricación. Sin embargo, la comercialización de estos dispositivos no se ha logrado a día de hoy, debido a problemas intrínsecos de este tipo de células, relacionados con su naturaleza electrónica, iónica y fisicoquímica. “Los iones que contienen las células de perovskita son los causantes de fenómenos lentos no deseados, tales como la histéresis en las curvas corriente-tensión (I-V)”, explica Enrique Hernández Balaguera, coautor del estudio publicado recientemente en la revista científica Nano Energy. Desde un punto de vista eléctrico, la histéresis puede entenderse como el resultado de una acumulación de carga de los entornos capacitivos de la perovskita en un régimen de ‘no equilibrio’ durante el barrido de tensiones en sentido ascendente. Esto conduce a una respuesta ‘adicional’ en la curva I-V. Por otro lado, en el barrido de tensiones en sentido descendente, la histéresis exhibe un comportamiento inverso debido a los efectos de las corrientes capacitivas residuales: La fotocorriente medida es menor que la ideal (condiciones de equilibrio); dando lugar al conocido fenómeno de histéresis.

El trabajo liderado por un equipo de investigación del área de Tecnología Electrónica de la Universidad Rey Juan Carlos (URJC), realizado en colaboración con el TNO Holst Centre de Eindhoven (Países Bajos), propone un nuevo procedimiento de análisis para interpretar estos fenómenos, utilizando herramientas matemáticas avanzadas. “El método desarrollado consiste en inyectar una señal de tensión escalonada (entrada) en los dispositivos y medir la ulterior respuesta de corriente (salida): característica I-V. A partir de un modelado preciso de la dinámica transitoria de la fotocorriente medida (teoría del cálculo fraccionario) y un conocimiento en profundidad de la fenomenología lenta y compleja de las propiedades eléctricas de las células de perovskita (síntesis de redes), es posible establecer correlaciones entre los mecanismos de histéresis y las dinámicas no ideales de estos dispositivos”, describe el investigador de la URJC.

El modelo propuesto ha sido validado a través de medidas experimentales en células solares de perovskita -basadas en el compuesto CsFAPb(IBr)- con una alta eficiencia y con diferentes espesores de capa activa. Los resultados obtenidos demuestran que los fenómenos de histéresis aumentaron a medida que los efectos eléctricos capacitivos se alejaban de un comportamiento ideal. “El principal interés de este trabajo es proporcionar información valiosa sobre el comportamiento dinámico observado en la escala de tiempo más lenta, el cual se basa en efectos de memoria del material y, además, presenta un impacto significativo en la aparición de histéresis”, subraya Enrique Hernández Balaguera.

Este novedoso estudio contribuye al conocimiento de uno de los orígenes de los mecanismos de histéresis de células de perovskita, para el cual la comunidad científica actualmente no ha establecido un origen único y universal. Asimismo, la metodología desarrollada permitirá la realización de estudios avanzados para analizar otros fenómenos complejos que se producen en estos dispositivos. “La dinámica no ideal, analizada en este trabajo, juega un papel clave en la histéresis y el comportamiento transitorio (en escalas de tiempo lentas) de las curvas I-V de células de perovskita”, concluye el investigador de la URJC.


Referencia bibliográfica

E. Hernández-Balaguera, B. Romero, B. Arredondo, G. del Pozo, M. Najafi, Y. Galagan, The dominant role of memory-based capacitive hysteretic currents in operation of photovoltaic perovskites, Nano Energy 78 (2020) 105398.


Proyecto de investigación

Sensores e instrumentación en tecnologías fotónicas 2 (S2018/NMT4326-SINFOTON2-CM) y Estructuras sub-longitud de onda de capa delgada para circuitos fotónicos: Células solares y fotodetectores orgánicos nanoestructurados (TEC2016-77242-C3-3-R).

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