26.2% de eficiencia certificada: avance en módulos tándem de perovskita completa de gran área: la unión de recombinación de túnel de nanocristales de In₂O₃

Introducción

Los módulos solares tándem de perovskita completa son ampliamente considerados como un fuerte candidato para la tecnología fotovoltaica de próxima generación gracias a su alta eficiencia y potencial de bajo costo. Sin embargo, la comercialización en gran área se ha visto seriamente obstaculizada. Mientras que los dispositivos de área pequeña ya han superado el 30% de eficiencia, los módulos de gran área (≥20 cm²) han estado estancados durante mucho tiempo alrededor del 24.5%. Los principales culpables son la fuerte absorción parásita en el infrarrojo cercano y la inestabilidad térmica interfacial de la estructura Au/PEDOT:PSS en las uniones de recombinación de túnel (TRJ) convencionales basadas en oro, junto con el transporte de carga degradado en películas de perovskita de Pb-Sn de gran área causado por la cristalización no uniforme durante el recubrimiento con cuchilla.

Este estudio desarrolla una TRJ procesada en solución basada en nanocristales de In₂O₃ con ingeniería de superficie. Al ajustar la morfología de los nanocristales y la química superficial, el equipo logró alta transparencia óptica, interfaces suaves y una alineación ideal de niveles de energía. Al mismo tiempo, se introdujeron aditivos de tipo ácido fosfónico en el precursor de perovskita de Pb-Sn para mejorar el contacto electrónico con la capa de recombinación de In₂O₃, mejorar la extracción de huecos y ajustar la cinética de cristalización para aliviar la tensión residual en películas de gran área. Esta estrategia combinada aumenta simultáneamente la eficiencia de recombinación de portadores en la unión, la extracción de carga y la uniformidad de la película de gran área, logrando finalmente una eficiencia certificada por JET del 26.2% en un área de apertura de 65 cm² (VOC = 2.182 V, FF = 77.4%, JSC = 15.6 mA cm⁻²), un hito clave en el camino hacia la escalabilidad de las fotovoltaicas tándem de perovskita completa.

Diseño y Ventajas de la Nueva TRJ

El trabajo propone una alternativa procesada en solución: una nueva TRJ (Tipo III) construida a partir de nanocristales de óxido de indio con ingeniería de superficie (NCs de In₂O₃). Se compara sistemáticamente con la estructura convencional Tipo I de Au/PEDOT:PSS y una estructura Tipo II basada en nanocristales comerciales de ITO.

Estructura y características de la interfaz

Los NCs de In₂O₃ auto-sintetizados tienen un tamaño de partícula mucho más pequeño que los NCs comerciales de ITO, formando una interfaz enterrada más suave y reduciendo efectivamente la densidad de defectos de contacto. Las pruebas eléctricas muestran que la estructura Tipo III exhibe un comportamiento de contacto óhmico ideal sin barrera de transporte de carga.

Estabilidad óptica y térmica

La caracterización óptica muestra que el PEDOT:PSS en Tipo I causa una severa pérdida de absorción parásita, mientras que la película de NCs de In₂O₃ es altamente transparente ópticamente. Bajo envejecimiento térmico acelerado a 85°C, la eficiencia del módulo Tipo I cayó a menos de la mitad de su valor inicial en 50 horas, mientras que los Tipo II y Tipo III basados en NCs retuvieron aproximadamente el 75% de la eficiencia inicial después de 200 horas. En un sustrato de 10×10 cm², las películas de NCs recubiertas con cuchilla mostraron una absorción óptica mucho más uniforme que las películas delgadas de Au evaporadas térmicamente, demostrando plenamente la ventaja inherente de los nanocristales procesados en solución en la fabricación escalable.

Optimización de la Fabricación de Películas de Perovskita de Gran Área

Con la pérdida óptica y la inestabilidad de la TRJ resueltas, la fabricación uniforme de películas de perovskita de Pb-Sn de gran área se convirtió en la siguiente barrera técnica. Los sistemas de solventes convencionales DMF/DMSO tienen altos puntos de ebullición y volatilidad lenta, por lo que su cinética de nucleación se retrasa durante el recubrimiento con cuchilla a alta velocidad, dificultando la formación de películas uniformes en sustratos grandes.

Para resolver esto, el equipo desarrolló un sistema de disolventes binario basado en 2-metoxietanol (2-Me) y tetrahidrofurano (THF). Con su bajo punto de ebullición y alta presión de vapor, este sistema alcanza rápidamente la sobresaturación crítica y acelera notablemente la nucleación. Usándolo, la velocidad de recubrimiento por cuchilla de perovskita Pb-Sn se incrementó de 5 mm/s en el sistema DMF tradicional hasta 30 mm/s, proporcionando una intensidad de fotoluminiscencia (PL) altamente uniforme y una excelente consistencia del dispositivo en sustratos de 10×10 cm² y mayores. Esto resolvió con éxito el desafío de la cinética de cristalización del recubrimiento de áreas grandes y logró una validación preliminar de eficiencia del 17.5% sobre un área de apertura de 65 cm².

Ingeniería de Ligandos de Superficie y Alineación de Niveles de Energía

Después de eliminar PEDOT:PSS, las pérdidas ópticas disminuyeron, pero el voltaje de circuito abierto (VOC) y el factor de llenado (FF) se redujeron, atribuido a mayores barreras de transporte interfacial y recombinación no radiativa entre la perovskita y la capa de NC. Para abordar esto, el estudio implementó una estrategia de optimización sinérgica dual:

Ingeniería de ligandos de superficie para ajustar los niveles de energía

Mediante intercambio de ligandos, se utilizaron MMES y MMPA para modificar la superficie de los NC de In₂O₃. La espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (UPS) mostró que los NC de In₂O₃ modificados con MMPA logran una curvatura de banda interfacial favorable con la película de perovskita objetivo (curvatura ascendente de aproximadamente 50 meV), promoviendo significativamente la extracción de huecos, mientras que la modificación con OAm o MMES causó curvatura descendente y una barrera de transporte. Las pruebas de corriente limitada por carga espacial (SCLC) descartaron cualquier interferencia del ligando en la movilidad misma, confirmando que la ganancia de rendimiento proviene principalmente de la alineación optimizada de niveles de energía.

Dopaje en masa con material selectivo de huecos basado en ácido fosfónico (HSM)

El equipo dopó HSM de ácido fosfónico como MeO-2PACz directamente en el precursor de perovskita Pb-Sn (optimizado al 0.2 mol%) en lugar de limitarlos a la modificación de la interfaz. Esta estrategia de dopaje en masa evita el problema de la cobertura desigual de SAM en áreas grandes. UPS mostró que después del dopaje con HSM, la función de trabajo de la perovskita cambió de 5.04 eV a 4.81 eV, el máximo de la banda de valencia se movió hacia arriba y el carácter tipo n se debilitó, coincidiendo mejor con los niveles de energía de los NC de In₂O₃. La celda de Pb-Sn de unión simple sin HTL resultante alcanzó una eficiencia del 23%, mientras que un dispositivo recubierto por cuchilla que utiliza NC de In₂O₃-MMPA como capa de transporte de huecos (HTL) logró una eficiencia del 24.0% en escaneo inverso con una JSC de hasta 33.8 mA cm⁻².

Múltiples Roles del HSM en la Película de Perovskita

El papel del HSM va mucho más allá del transporte de carga: influye profundamente en la cristalización de la película y la pasivación de defectos:

Control de cristalización y supresión de defectos

La microscopía electrónica de barrido (SEM) mostró que después del dopaje con HSM, las impurezas dendríticas que originalmente cortaban los límites de grano en la película de Pb-Sn desaparecieron, el tamaño de grano creció notablemente y los límites de grano adquirieron una apariencia "fusionada". GIWAXS y XRD confirmaron que HSM suprimió eficazmente la formación de la fase de impureza PbI₂. La RMN de ¹H en estado líquido reveló además que HSM, mediante desprotonación preferencial, consume grupos fosfónicos ácidos libres, evitando así su desprotonación ácida de los cationes FA⁺ y estabilizando la química del precursor.

Mejora de la dinámica de portadores

La espectroscopía de absorción transitoria (TAS) mostró que la recombinación no radiativa asistida por defectos se suprimió notablemente después del dopaje con HSM. La intensidad de PL en estado estacionario aumentó bruscamente, el tiempo de vida promedio de PL se extendió de 1042 ns a 1889 ns, con una pasivación especialmente fuerte en la interfaz inferior, reduciendo eficazmente la captura de carga en la interfaz enterrada. La espectroscopía OPTP mostró que la movilidad de portadores de la película objetivo aumentó de 20 cm² V⁻¹ s⁻¹ a 36 cm² V⁻¹ s⁻¹ y la longitud de difusión creció de 2.65 μm a 4.78 μm, confirmando una mejora integral en la calidad de la película masiva.

Rendimiento y estabilidad del módulo de área grande

Basándose en estas estrategias sinérgicas, el equipo fabricó un módulo tándem de perovskita completa con un área de apertura de 65 cm² (14 subceldas en serie). El módulo campeón que utiliza la TRJ Tipo III (In₂O₃-MMPA) alcanzó una eficiencia del 26.6% en pruebas de laboratorio (escaneo inverso), con VOC de 30.4 V, JSC de 1.12 mA cm⁻² y FF de 78.2%. Su eficiencia estabilizada certificada por JET alcanzó el 26.2%, superando claramente al módulo de control que utiliza la TRJ Tipo I convencional (24.8%). Después de la optimización de la zona muerta, el factor de llenado geométrico alcanzó el 96.5%, dando una eficiencia de área activa equivalente de hasta el 27.6%. El mapeo espacial de EQE mostró que, en 16 posiciones diferentes, las densidades de corriente integradas de las subceldas superior e inferior promediaron 16.3 y 16.2 mA cm⁻² respectivamente, coincidiendo estrechamente con los resultados J-V y superando ambos el cuello de botella del módulo de sub-15 mA cm⁻² reportado anteriormente.

En términos de confiabilidad, siguiendo el estándar IEC 61215:2021, el módulo encapsulado Tipo III alcanzó una vida útil T90 (reteniendo el 90% de la eficiencia inicial) de 771 horas bajo seguimiento continuo de MPP a 1 sol, y aún mantenía un 82.5% de eficiencia después de 1000 horas. En la exigente prueba de calor húmedo a 85°C/85% HR (ISOS-D-3), el módulo Tipo III alcanzó una vida útil T84 promedio de 1000 horas, mientras que el módulo Tipo I ya había caído por debajo del 40% de eficiencia; en la prueba de ciclado térmico de -40°C a 85°C (ISOS-T-3), el módulo Tipo III retuvo el 93% de la eficiencia inicial después de 200 ciclos. Todos los experimentos de envejecimiento acelerado confirmaron que la estabilidad excepcional del Tipo III proviene de eliminar por completo los factores de inestabilidad desencadenados por PEDOT:PSS.

Mediante uniones de recombinación de nanocristales de In₂O₃ diseñadas en superficie y una ingeniería sinérgica de HSM en volumen/interfaz, este trabajo logró con éxito un módulo tándem de perovskita totalmente certificado con eficiencia del 26.2% sobre un área de apertura de 65 cm², ofreciendo avances integrales en tamaño de módulo, eficiencia y estabilidad operativa. El trabajo demuestra firmemente el potencial de comercialización de la tecnología fotovoltaica tándem de perovskita completa. De cara al futuro, llevar el área del módulo más allá de 800 cm² requerirá una optimización sinérgica de procesos de deposición como el recubrimiento por ranura junto con métodos como la cristalización asistida por vacío, para garantizar una fabricación uniforme y de alta calidad de subceldas de banda ancha y estrecha de gran área.

Equipos de Referencia y Pruebas

Un probador MPPT de perovskita compuesto que utiliza un simulador solar LED de grado A+AA+ como fuente de envejecimiento proporciona un fuerte apoyo para la investigación de células solares de perovskita a través de tecnología avanzada y diseño multifuncional. Dichos instrumentos se utilizan principalmente para pruebas de estabilidad de células tándem y de unión simple de perovskita terminadas. Debido a que las características de salida de las células de perovskita se ven fácilmente afectadas por factores ambientales como la luz y la temperatura, el punto de máxima potencia fluctúa con frecuencia. Un controlador MPPT rastrea y bloquea el punto de máxima potencia en tiempo real, asegurando que el sistema siempre opere a la salida de potencia óptima.

Referencia: Recombinación adaptada con nanocristales para módulos solares tándem de perovskita completa

Opinión de Ooitech

Ooitech cree: las uniones de recombinación de nanocristales de In₂O₃ diseñadas en superficie junto con la ingeniería de volumen/interfaz HSM han llevado los módulos tándem de perovskita completa de gran área a una eficiencia certificada del 26.2%, acercando esta tecnología un paso decisivo hacia la comercialización.