Estudio de propiedades ópticas y eléctricas de capas delgadas con estructura perovskita libre de plomo usadas como capa activa en celdas solares orgánico/inorgánicas

Según las condiciones medioambientales actuales, la agenda 2030 Colombia marca dentro de su 7º objetivo el desarrollo de energía asequible y no contaminante, y el aumento en la cooperación internacional para facilitar el acceso a la investigación y la tecnología relativas a la energía limpia, incluidas las fuentes renovables, en este sentido, ¿Será posible desarrollar celdas solares en Colombia basadas en materiales no contaminantes obtenidas mediante métodos de depósito de bajo coste, erradicando de su base aquellos materiales con alto impacto medioambiental, tales como el plomo, los cuales son difíciles de tratar sea en escala de fabricación – laboratorio, como a nivel de manejo de desechos? Este proyecto está enmarcado en aplicaciones de la ciencia de materiales para el desarrollo de energías renovables limpias, a través de las cuales se estudiarán materiales con estructura tipo perovskita, que podrán ser utilizadas como capa activa (capa absorbente) en prototipos de celdas solares elaboradas con tecnología de capa delgada amigables con el medio ambiente. Estas involucran una combinación de semiconductores orgánicos e inorgánicos libres de plomo, cuyo elemento activo posee una estructura cristalina de tipo perovskita. Actualmente, las tecnologías fotovoltaicas de bajo costo y mayor proyección en términos de eficiencia de conversión se denominan celdas solares con estructura perovskita ( PSC por su sigla en inglés ). Éstas se basan en una capa activa que realiza el proceso de fotoconversión, donde la energía lumínica genera portadores de carga en materiales con estructura perovskita cristalizan según la estructura ilustrada en la Figura 1a. Esto se debe a que estos materiales tienen excelentes propiedades optoelectrónicas, tales como, largo tiempo de recombinación de portadores de carga, pequeña masa efectiva de electrones y huecos, amplio espectro de absorción de luz y alta movilidad de portadores [ Johnston 2016 ]. Generalmente, las perovskitas de haluros metálicos poseen estructura química ABX 3 , donde A es un material orgánico (CH 3 NH 3 + , MA, or HC(NH 2 ) 2 + , FA) o un metal alcalino empleado como catión (Cs + ) , B es un metal divalente (Pb, Sn o Ge) y X es un anión haluro [Seok 2018]. Figura 1. a) Estructura cristalina tipo Perovskita [Eperon 2018]. b) Evolución histórica de la eficiencia de conversión de las celdas solares con estructura tipo Perovskita [NREL 2022] La Figura 1b muestra que la máxima eficiencia de conversión para celdas perovskitas reportadas hasta la fecha, la cual llega hasta un 25.5% [NREL 2022]; estos resultados han sido obtenidos para celdas solares que utilizan Plomo como metal divalente. El plomo es un material aún considerado como indispensable para garantizar excelentes propiedades fotoeléctricas; sin embargo, la degradación de dispositivos basados en perovskitas con Plomo son tóxicos para el medio ambiente, para los seres humanos y otras especies, esto impide la comercialización de dicha tecnología [Wang 2015]. Por esta razón, perovskitas absorbentes de luz libres de plomo, han atraído mucha atención recientemente. Entre las alternativas que se vislumbran para la sustitución del Plomo en estructuras perovskita, se encuentra el Estaño (Sn) como metal divalente, o alternativamente, usar perovskitas totalmente inorgánicas con estructura CsSnI3.; esto ha sido recientemente sujeto de investigación intensiva [Li 2016, Wang 2016]. Si bien la fotogeneración de portadores de carga por absorción de luz es el principio fundamental de los dispositivos fotovoltaicos, función que debe cumplir eficientemente la capa activa; es necesario conducir estos portadores de carga (electrones y/o huecos) hacia los electrodos del dispositivo para que realicen su función de suministro de energía a un circuito externo (inyección). Para optimizar este proceso de transporte de portadores hacia los electrodos deben usarse materiales que permitan llevar dichos portadores hacia estados de mínima energía, reduciendo pérdida de portadores de carga por recombinación no radiativa o por saltos energéticos. De allí que los materiales seleccionados para el transporte deben alinearse energéticamente entre sí y además proporcionar una buena movilidad para los portadores de carga. La Figura 2 ilustra esta idea, que es la base de la arquitectura de una celda solar con estructura tipo perovsquita en capa delgada. Figura 2. Alineamiento de niveles de energía entre las capas del dispositivo, mostrando el transporte e inyección de portadores de carga. Al absorber el fotón, la capa activa (Perovskita) genera la separación de portadores, enviando electrones a la banda de conducción (BC) y dejando huecos en la banda de valencia (BV). La fotocorriente resulta tanto del transporte de los electrones hacia el electrodo en la izquierda (TCO), como del transporte de huecos hacia la capa metálica (Au, Ag). La función de la capa de transporte de electrones (ETM, por su sigla inglesa – Electron transport material) es bloquear energéticamente su desplazamiento hacia el electrodo metálico (derecha) y facilitar su transporte hacia el estado de mínima energía, localizado en el ánodo (TCO). Análogamente, la función de la capa de transporte de huecos (HTM) es bloquear el desplazamiento de huecos hacia el ánodo y promover el transporte de huecos hacia el electrodo metálico. Queda entonces claro que junto con la calidad de la capa perovskita, el desempeño del dispositivo fotovoltaico es influido enormemente por las propiedades físicas de los materiales de transporte de carga (ETM, HTM). Comparado con perovskitas basadas en plomo (Pb), las bandas de valencia y de conducción de Perovskitas basadas en Estaño (Sn) presentan una gran variación, lo que conduce a un inevitable desajuste entre el alineamiento de bandas de energía y, en consecuencia, a pérdidas severas en el voltaje de circuito abierto (VOC), uno de los principales parámetros que determinan la eficiencia del dispositivo fotovoltaico [Chen 2019]. Por consiguiente, es crucial optimizar el alineamiento de bandas de energía para mejorar su desempeño.En resumen, se presenta un proyecto interdisciplinar en el que convergen los Departamentos Física y de Química de la facultad de ciencias de la Pontificia Universidad Javeriana, representados por los grupos de Peligulas delgadas y Nanofotónica (GPD&NF), y el grupo de Grupo de Investigación Fitoquímica Universidad Javeriana, Línea Química Computacional, los cuales trabajarán en áreas bastante diferentes Física De materiales y fabricación de Dispositivos fotovoltaicos, y por el lado de Química, síntesis química de Materiales y calculos de estructuras de banda de solidos cristalinos y moleculares, para ser integrados a dispositivos fotovoltaicos. En escencia el presente proyecto se propone en primer lugar, desarrollar materiales libres de plomo con estructura perovskita como capa activa en celdas solares. La principal línea de investigación se centrará en la sustitución del Plomo por Estaño o Germanio como metal divalente. En segundo, y como consecuencia de las bandas de energía de la capa activa, se buscará optimizar el alineamiento de las bandas de energía usando y modificando las propiedades físicas de materiales de transporte de carga para disminuir pérdidas energéticas y recombinación de portadores en la generación de la fotocorriente del dispositivo. Por último, se trabajará en aspectos tecnológicos relacionados con el depósito de estos materiales en sustratos flexibles, y su encapsulamiento, con el fin de prolongar el proceso de deterioro de los dispositivos fotovoltaicos.