Ilustración esquemática de la nueva estructura de células solares de perovskita de calcogenida con BAHFS3 aleado ZR como la capa absorbente. Crédito: Ciencia e ingeniería de materiales: B (2025). Doi: 10.1016/j.mseb.2025.118126
Las células solares de perovskita de haluro de plomo (LHPSC) han ganado rápidamente prominencia en el campo de los fotovoltaicos, con impresionantes eficiencias de conversión de energía (PCE) de hasta 26.1% en dispositivos de un solo juego. Sin embargo, a pesar de su alto rendimiento, estos materiales sufren inconvenientes críticos, incluida la degradación cuando se exponen a la humedad, el oxígeno, el calor y la luz ultravioleta, así como las preocupaciones con respecto a la toxicidad del plomo.
Superar estos desafíos es vital para la viabilidad comercial y la seguridad ambiental de las tecnologías solares de próxima generación, pero ¿cómo podemos diseñar alternativas estables y sostenibles sin comprometer la eficiencia?
Para abordar estas limitaciones, mi equipo de investigación en la Universidad Autónoma de Querétaro en México se centró en perovskitas de calcogenida, particularmente al aleación de circonio (ZR) en sulfuro de hafnio de bario (BAHFS3), como una alternativa prometedora.
Estos materiales ofrecen propiedades únicas que los hacen muy adecuados para aplicaciones fotovoltaicas. Demuestran una excelente estabilidad química, esencial para mantener el rendimiento a largo plazo en condiciones del mundo real. Además, exhiben una banda de banda sintonizable, un alto coeficiente de absorción para fotones y una mayor movilidad portadora con conductividad de tipo P.
Nuestro estudio exploró el uso de BAHFS3 y sus variantes de aleación de ZR, como Bahf0.75ZR0.25S3, BAHF0.5ZR0.5S3 y BAHF0.25ZR0.75S3, como capas absorbentes en dispositivos fotovoltaicos.
Para evaluar y optimizar su rendimiento, utilizamos SCAPS-1D (simulador de capacitancia de células solares en una dimensión), una herramienta de simulación desarrollada por Mark Burgelman en la Universidad de Gante. Esta herramienta nos permitió simular las condiciones del mundo real y los parámetros del dispositivo clave del ajuste, como la densidad del aceptador del absorbedor, la densidad de defectos y el grosor de la capa.
Nuestros hallazgos, publicados en Materials Science and Engineering: B, muestran que la optimización cuidadosa de estas perovskitas de calcogenuro puede mejorar significativamente el rendimiento fotovoltaico. Los resultados indican un camino prometedor hacia células solares eficientes, estables y sin plomo.
Este enfoque condujo a mejoras en la absorción de la luz, pérdidas reducidas de recombinación, potencial incorporado mejorado y minimizar la recombinación no radiativa y la resistencia a la transferencia de carga. Además, mejoramos la alineación de la banda entre las capas y las propiedades interfaciales fortalecidas, lo que resulta en aumentos notables en PCE.
Realizamos un análisis comparativo de células solares base y optimizadas para todas las composiciones absorbentes utilizando técnicas como perfiles CV, análisis Mott -Schottky, mediciones de CF, QE y alineación de la banda de energía.
Las mejoras en PCE se atribuyeron al aumento de la densidad de corriente de cortocircuito, una mayor división de nivel de cuasi fermi, tasas de generación de portadores más altas, campos eléctricos más fuertes, eficiencia cuántica mejorada y longitudes de difusión de portadores extendidos. En última instancia, logramos PCE superiores al 20% para BAHFS3, y sus formas de aleación ZR.
En general, nuestra investigación destaca el potencial de BAHFS3 y sus variantes HF/ZR (BAHF1-XZRXS3) como absorbentes solares de perovskita de calcogenuro de alto rendimiento y sin plomo. Creemos que nuestro trabajo generará más interés entre los científicos de materiales e investigadores fotovoltaicos.
Esta historia es parte del diálogo de Science X, donde los investigadores pueden informar los resultados de sus artículos de investigación publicados. Visite esta página para obtener información sobre el diálogo de Science X y cómo participar.
Más información: Dhineshkumar Srinivasan et al, ingeniería BAHFS3 con aleación de Zr para mejorar el rendimiento de las células solares: ideas de simulaciones SCAPS-1D, ciencia e ingeniería de materiales: B (2025). Doi: 10.1016/j.mseb.2025.118126
Bio:
La Dra. Latha Marasamy es profesora de investigación en la Facultad de Química en UAQ, donde dirige un equipo dinámico de estudiantes e investigadores internacionales. Su misión es avanzar en la energía renovable, particularmente en el desarrollo de células solares de segunda y tercera generación, que incluyen CDTE, CIGS, perovskitas de calcogenuro emergentes, perovskitas sin plomo, calcogenuros cuaternarios de I2-I-IV-VI4 y células solares híbridas. She is working with a range of materials such as CdTe, CIGSe, CdS, MOFs, graphitic carbon nitride, chalcogenide perovskites (ABX3, where A = Ba, Sr, Ca; B = Zr, Hf; X = S, Se), quaternary chalcogenides (I2-II-IV-VI4, where I = Cu, Ag; II = Ba, Sr, Co, Mn, Fe, Mg; IV = Sn, Ti; Además, el Dr. Marasamy está investigando las propiedades de los materiales novedosos y su influencia en el rendimiento de las células solares a través de simulaciones DFT y SCAPS-1D.
Cita: Mejora del rendimiento de las células solares: el impacto de la aleación de Zr en la ingeniería de Bahfs₃ (2025, 16 de abril) Recuperado el 16 de abril de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-04-solar-cell-impact-zr-tiloying.html
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