Optimización de celdas solares de perovskita mediante simulación y caracterización experimental
Fecha
2025-12-18Autor
Pinzón Rueda, Carlos A.Resumen
En los últimos años, las celdas solares de perovskita (CSP) con arquitectura n-i-p, han experimentado notables avances en eficiencia, incrementándose desde un modesto 3.8% en 2009 hasta un relevante 26% en la actualidad. Esta tecnología fotovoltaica ha emergido como una de las de mayor crecimiento en el campo. En particular, las CSP híbridas, que se caracterizan por la estructura de perovskita 𝑀�������������������������𝐴�������������������������𝑃�������������������������𝑏�������������������������𝑋�������������������������3, lideran la eficiencia de este tipo de celdas, alcanzando el 26%. Las CSP están formadas por heterouniones de varios materiales sintetizados mediante técnicas de deposición en solución, compuesta por una capa activa de perovskita entre una capa transportadora de electrones (ETL: Electron Transport Layer) y una capa transportadora de huecos (HTL: Hole Transport Layer).
En este trabajo se realizó un estudio teórico para las CSP inorgánicas e invertidas (p-i-n). En la primera etapa, se llevaron a cabo simulaciones con el software SCAPS-1D para evaluar estructuras basadas en las perovskitas: 𝐶�������������������������𝑠�������������������������𝑃�������������������������𝑏�������������������������𝐼�������������������������3 y 𝐶�������������������������𝑠�������������������������𝑃�������������������������𝑏�������������������������𝐼�������������������������2𝐵�������������������������𝑟�������������������������. Se exploraron distintas combinaciones de materiales para las capas ETL y HTL, siendo ZnO y CuI las que mostraron mejor rendimiento teórico. Adicionalmente, se obtuvieron valores óptimos de espesor, densidad aceptora y densidad de defectos en la capa activa 𝐶�������������������������𝑠�������������������������𝑃�������������������������𝑏�������������������������𝐼�������������������������3 y 𝐶�������������������������𝑠�������������������������𝑃�������������������������𝑏�������������������������𝐼�������������������������2𝐵�������������������������𝑟�������������������������, logrando obtener una eficiencia del 26.5% y 20.6% respectivamente.
En línea con la futura fabricación de CSP y con base en los resultados teóricos obtenidos, la segunda etapa de la tesis consistió en la síntesis de la capa de ZnO. Para arquitecturas estándar (n-i-p), la capa ETL es la primera capa que recibe la radiación solar, por lo que su estabilidad y propiedades ópticas son determinantes para la eficiencia del dispositivo. Se sintetizó ZnO por medio de la técnica spray pirolisis. Las capas obtenidas se caracterizaron mediante las técnicas XRD, UV-Vis, SEM y EDS, obteniéndose una banda prohibida 𝐸�������������������������𝑔������������������������� ≈ 3.26 eV, una estructura cristalina tipo wurtzita y una orientación preferencial en el plano (002), características que favorecen el transporte electrónico y la calidad del contacto con la perovskita.
A partir de estos desarrollos, se fabricaron celdas solares con estructura 𝐹�������������������������𝑇�������������������������𝑂�������������������������/𝑍�������������������������𝑛�������������������������𝑂�������������������������/𝑀�������������������������𝐴�������������������������𝑃�������������������������𝑏�������������������������𝐼�������������������������3/𝑆�������������������������𝑝�������������������������𝑖�������������������������𝑟�������������������������𝑜������������������������� − 𝑀�������������������������𝑒�������������������������𝑂�������������������������𝑇�������������������������𝐴�������������������������𝐷�������������������������/𝐴�������������������������𝑢�������������������������, alcanzando eficiencias del 7%. A fin de comprender mejor el comportamiento de estas celdas experimentales, se realizaron simulaciones adicionales ajustadas a las características ópticas y eléctricas medidas, lo cual permitió validar parcialmente los modelos y parámetros utilizados previamente. Estas simulaciones sirvieron no solo para entender la respuesta de los dispositivos sino también para proyectar mejoras en futuros diseños, evaluando el impacto de variables como la pasivación de defectos, el alineamiento de bandas y la difusión de portadores.
Finalmente, se exploraron de manera teórico, la simulación de celdas solares en configuraciones tándem de dos terminales (2T), usando el software SCAPS-1D. La configuración implementada en la celda solar tándem cuenta con una subcelda superior totalmente inorgánica (𝑍�������������������������𝑛�������������������������𝑂�������������������������/𝐶�������������������������𝑠�������������������������𝑃�������������������������𝑏�������������������������𝐼�������������������������3/𝑁�������������������������𝑖�������������������������𝑂�������������������������) y como subcelda inferior una capa activa libre de plomo (𝑍�������������������������𝑛�������������������������𝑂�������������������������/𝐹�������������������������𝐴�������������������������𝑆�������������������������𝑛�������������������������𝐼�������������������������3/𝑆�������������������������𝑝�������������������������𝑖�������������������������𝑟�������������������������𝑜������������������������� − 𝑂�������������������������𝑀�������������������������𝑒�������������������������𝑇�������������������������𝐴�������������������������𝐷�������������������������), obteniendo eficiencias individuales de 11.17% y 19.18%, alcanzando un 24.05% en una configuración tándem. Aunque preliminares, estos resultados sientan una base para futuros desarrollos de dispositivos tándem perovskita-perovskita con mayor eficiencia y estabilidad.

