Las células solares de perovskita han progresado en los últimos años con rápidos aumentos en la eficiencia de conversión de energía (del 3% en 2006 al 25.5% en la actualidad), lo que las hace más competitivas con las células fotovoltaicas basadas en silicio. Sin embargo, aún quedan varios desafíos por delante antes de que puedan convertirse en un negocio comercial competitivo. la tecnología.
Ahora, un equipo de la NYU Tandon School of Engineering ha desarrollado un proceso para resolver uno de ellos, un cuello de botella en un paso crítico que involucra el dopaje tipo p de materiales orgánicos transportadores de huecos dentro de las células fotovoltaicas. La investigación, "CO2 dopaje de capas intermedias orgánicas para células solares de perovskita ”, aparece en Naturaleza.
Actualmente, el proceso de dopaje p, logrado por la entrada y difusión de oxígeno en la capa de transporte del orificio, requiere mucho tiempo (varias horas al día), lo que hace que la producción comercial en masa de células solares de perovskita no sea práctica.
El equipo de Tandon, dirigido por André D. Taylor, profesor asociado, y Jaemin Kong, asociado postdoctoral, junto con Miguel Modestino, profesor asistente, todos en el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular, descubrieron un método para aumentar enormemente la velocidad de este paso clave mediante el uso de dióxido de carbono (CO2) en lugar de oxígeno.
En las células solares de perovskita, normalmente se requieren semiconductores orgánicos dopados como capas intermedias de extracción de carga situadas entre la capa de perovskita fotoactiva y los electrodos. El medio convencional de dopar estas capas intermedias implica la adición de bis (trifluorometano) sulfonimida de litio (LiTFSI), una sal de litio, a espiro-OMeTAD, un compuesto orgánico conjugado en π. Semiconductores ampliamente utilizado como material transportador de huecos en células solares de perovskita. El proceso de dopaje se inicia exponiendo las películas de mezcla de espiro-OMeTAD: LiTFSI al aire y a la luz.
Este método no solo requiere mucho tiempo, sino que depende en gran medida de las condiciones ambientales. Por el contrario, Taylor y su equipo informaron sobre un método de dopaje rápido y reproducible que implica burbujear una solución de espiro-OMeTAD: LiTFSI con CO2 bajo luz ultravioleta. Descubrieron que su proceso mejoró rápidamente la conductividad eléctrica de la capa intermedia en 100 veces en comparación con la de una película de mezcla prístina, que también es aproximadamente 10 veces mayor que la obtenida con un proceso de burbujeo de oxígeno. El co2 La película tratada también dio como resultado células solares de perovskita estables y de alta eficiencia sin ningún tratamiento posterior.
“Además de acortar el tiempo de fabricación y procesamiento del dispositivo, la aplicación de espiro-OMeTAD predopado en células solares de perovskita hace que las células sean mucho más estables”, explicó Kong, el autor principal. “Eso se debe en parte a que la mayoría de los iones de litio perjudiciales en la solución de spiro-OMeTAD: LiTFSI se estabilizaron como carbonatos de litio durante el CO2 proceso de burbujeo ".
Agregó que los carbonatos de litio terminan siendo filtrados cuando los investigadores derraman la solución predopada sobre la capa de perovskita. "Por lo tanto, podemos obtener materiales orgánicos dopados bastante puros para transportar capas de orificios de manera eficiente".
El equipo, que incluyó a investigadores de Samsung, la Universidad de Yale, el Instituto de Investigación de Tecnología Química de Corea, el Centro de Graduados de la Universidad de la Ciudad, la Universidad de Wonkwang y el Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju también encontró que el CO2 El método de dopaje se puede utilizar para el dopaje de tipo p de otros polímeros conjugados π, tales como PTAA, MEH-PPV, P3HT y PBDB-T. Según Taylor, los investigadores buscan ampliar los límites más allá de los semiconductores orgánicos típicos utilizados para las células solares.
“Creemos que la amplia aplicabilidad de CO2 el dopaje a varias moléculas orgánicas conjugadas en π estimula la investigación que va desde células solares orgánicas hasta diodos emisores de luz orgánicos (OLED) y transistores de efecto de campo orgánico (OFET), incluso hasta dispositivos termoeléctricos que requieren el dopaje controlado de semiconductores orgánicos ”, explicó Taylor. , agregando que dado que este proceso consume una gran cantidad de CO2 gas, también se puede considerar para CO2 estudios de captura y secuestro en el futuro.
“En un momento en el que tanto los gobiernos como las empresas buscan reducir el CO2 emisiones si no para descarbonizar, esta investigación ofrece una vía para reaccionar grandes cantidades de CO2 en carbonato de litio para mejorar las células solares de próxima generación, mientras se elimina este gas de efecto invernadero de la atmósfera ”, explicó, y agregó que la idea de este enfoque novedoso era una visión contraria a la intuición de la investigación de baterías del equipo.
“De nuestra larga historia de trabajo con baterías de litio-oxígeno / aire, sabemos que la formación de carbonato de litio por exposición de electrodos de oxígeno al aire es un gran desafío porque agota la batería de iones de litio, lo que destruye la capacidad de la batería. En esta reacción de dopaje espiro, sin embargo, en realidad estamos explotando la formación de carbonato de litio, que se une al litio y evita que se convierta en iones móviles perjudiciales para la estabilidad a largo plazo del perovskita célula solar. Esperamos que este CO2 La técnica del dopaje podría ser un trampolín para superar los desafíos existentes en la electrónica orgánica y más allá ".