Crédito: Joule (2025). Doi: 10.1016/j. Joule.2025.102102
Un estudio reciente proporciona evidencia para ayudar a resolver uno de los obstáculos clave para la fabricación a gran escala de células solares de perovskita de próxima generación.
El trabajo, una colaboración entre un equipo dirigido por el compañero de Rasei Mike McGehee en la Universidad de Colorado Boulder y los científicos del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL), IS. publicado En el diario Joule.
Imagine que tiene una serie de mangueras conectadas de extremo a extremo para regar su jardín. El agua fluye desde el grifo, a través de cada manguera y sale de la última boquilla. Cuando cada manguera está obteniendo suficiente agua, el flujo es fuerte y estable. Así es como funciona una cadena de células solares en un panel solar; La energía del sol hace electrones (el “agua”) que fluyen a través de cada celda, creando electricidad.
Pero, ¿qué sucede si una sola sección de la manguera se retira? El agua ya no puede fluir a través de él, pero todavía hay mucha presión proveniente del grifo. La presión se acumulará y eventualmente explotará el punto débil en la sección retorcida. Esto es análogo a lo que sucede cuando una sección del panel solar está sombreada: la célula se reta. Cuando solo una parte de un panel está sombreada, las celdas sin sombra aún generan electricidad y “fuerza” de corriente hacia atrás a través de la celda sombreada no productora. Esto se conoce como sesgo inverso, y puede hacer que la célula sombreada se degrade y falle permanentemente.
Para las células solares basadas en silicio convencionales, el sesgo inverso es un problema conocido y los ingenieros han desarrollado una solución: un diodo de derivación. Puede pensar en esto como un pequeño canal lateral que permite que el agua fluya alrededor de la manguera retorcida, manteniendo el resto del sistema funcionando suavemente sin acumular presión dañina.
Sin embargo, la solución de diodos de derivación no funciona para las células solares basadas en perovskita, un candidato líder para la próxima generación de células solares más eficientes y más asequibles, porque a menudo son demasiado “débiles”. Una de las piezas clave en el rompecabezas para resolver este problema de sesgo inverso en las células solares de perovskita es comprender cómo la célula se degrada cuando está bajo sesgo inverso, y ese es el foco de esta colaboración de investigación.
El grupo McGehee tiene una larga historia de éxito en la creación y optimización de células solares de perovskita. A partir de 2018, su enfoque cambió a un desafío crítico: ¿qué sucede cuando estas células están a la sombra? Muchos investigadores ya habían observado que incluso una pequeña cantidad de sesgo inverso hacía que los materiales se calentaran y “se derritieran”, lo que provocó una degradación rápida y permanente de la perovskita.
Si bien estas observaciones fueron ampliamente aceptadas, la razón exacta de la degradación fue un misterio y un tema de mucho debate.
“Estos son sistemas complejos, y puede ser muy difícil desenredar lo que está sucediendo”, explicó Ryan Decrescent, uno de los investigadores principales del estudio. Aquí es donde entró el trabajo del Grupo McGehee: se propusieron encontrar el mecanismo específico detrás de este comportamiento destructivo.
La capa de perovskita se forma a través de un enfoque llamado procesamiento de solución. El procesamiento de la solución es como hacer un panqueque. Usted hace su masa y cuando la vierte en una plancha caliente, suceden varias cosas: el agua se evapora, los sólidos establecidos, el grosor está determinado por cuánto agrega, y a menudo obtiene espacios (agujeros) en su panqueque.
En estos dispositivos, los ingredientes de perovskita se ponen en un solvente. Luego, el solvente se deja caer en las capas anteriores del dispositivo y se calienta, por lo que el disolvente se evapora y se forma una película, pero a menudo con defectos o huecos. Los defectos y los agujeros se forman fácilmente en tales películas. Este es un problema particular para perovskitas, ya que la solución precursora tiene baja viscosidad, y durante la etapa de calentamiento, la formación de defectos es común.
Para comprender mejor el impacto de estos defectos en el rendimiento de las células solares bajo sesgo inverso, debe echarles un buen vistazo. El centro de este trabajo es un conjunto de herramientas que permitieron un examen excepcional de la capa de perovskita.
“Una gran parte de este trabajo realmente nos estaba preparando para mirar con mucho cuidado estas superficies”, dijo Decrescent.
Se emplearon cuatro técnicas principales para comprender mejor los defectos: imágenes de electroluminiscencia (EL) con una cámara de alta resolución, microscopía electrónica de barrido (SEM), microscopía confocal de escaneo láser (LSCM) y termografía de video. La estrategia era comparar antes, durante y después de los dispositivos que habían sido expuestos al sesgo inverso. La cámara de alta resolución mostró que los puntos débiles en el dispositivo eran el origen de la degradación.
Para comprender mejor el comportamiento “perfecto” del dispositivo y escanear eficientemente una gran cantidad de muestras (~ 100), el equipo estableció una gran cantidad de dispositivos muy pequeños, creando películas delgadas con un área de solo 0.032 mm. Para poner eso en perspectiva, cada dispositivo tenía el ancho de dos pelos humanos. El pequeño tamaño de estos dispositivos significaba que era posible crear dispositivos sin defectos, ya que es difícil crear películas sin defectos a mayor escala. A través de esta combinación de un gran tamaño de muestra e imágenes avanzadas, el equipo pudo explorar rápidamente muchos tipos diferentes de defectos.
Este enfoque de usar imágenes avanzadas demostró ser una forma increíblemente efectiva no solo para identificar los defectos sino también comprender exactamente lo que les sucede.
“La termografía de video y las imágenes de electroluminiscencia son técnicas realmente poderosas para tales dispositivos; por ejemplo, defectos que a veces son difíciles de detectar realmente utilizando estos enfoques”, explicó Decescent. Utilizando la técnica de termografía, los defectos brillan brillantemente y en la técnica de electroluminiscencia los defectos muestran como oscuros. El uso de estas técnicas en combinación proporcionó una forma muy confiable y efectiva de mapear los defectos. Las técnicas revelaron claramente dónde estaba ocurriendo la degradación.
La evidencia del equipo respalda firmemente el argumento de que los defectos, como los agujeros y las manchas delgadas en la capa de perovskita, son las ubicaciones precisas donde comienza la descomposición de sesgo inverso. Las imágenes de termografía mostraron que estos sitios son donde el material se calienta rápidamente y se derrite, esencialmente acortado entre las dos capas de contacto. En contraste, los dispositivos sin defectos mostraron una notable estabilidad, horas de sobrevivencia de sesgo inverso sin ninguna degradación significativa.
Este nivel de comprensión detallada es crucial para el futuro de esta tecnología. La investigación del equipo proporciona un camino claro para los científicos e ingenieros: para desarrollar células solares de perovskita más robustas y estables, deben priorizar la fabricación de películas sin agujeros y usar capas de contacto más robustas para evitar este tipo de daño térmico abrupto y permanente.
Este trabajo representa un paso crítico en el viaje hacia la comercialización de células solares de perovskita. Destaca el hecho de que se necesitan enfoques científicos rigurosos y basados en detalles para comprender problemas complejos. Con este conocimiento en la mano, los científicos ahora pueden diseñar dispositivos diseñados para la longevidad, asegurando que estos materiales prometedores puedan cumplir con su potencial.
Más información: Samuel Johnson et al, cómo los diodos de la capa de contacto no ohmico en los agujeros de perovskita afectan la descomposición abrupta de sesgo inverso de bajo voltaje y la destrucción de las células solares, Joule (2025). Doi: 10.1016/j. Joule.2025.102102
Información en el diario: Joule
Proporcionado por la Universidad de Colorado en Boulder
Cita: Fijar el punto débil de la energía solar: por qué un pequeño defecto podría ser un gran problema para las células de perovskite (2025, 15 de septiembre) recuperado el 15 de septiembre de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-09-solar-weak-tiny-fectect-big.html
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