Investigadores de la Academia China de Ciencias (CAS) han desarrollado una célula solar en tándem de cuatro terminales que utiliza una perovskita de banda prohibida ancha como célula superior y una célula de cobre, indio, galio y selenio (CIGS) como célula inferior, resolviendo el problema de estabilidad de los materiales de perovskita de banda prohibida ancha mediante ingeniería de coordinación. El dispositivo en tándem mantiene más del 91% de su eficiencia inicial tras 2000 horas de funcionamiento continuo, alcanzando una eficiencia total del 29,71%.
La capa absorbente de perovskita de banda prohibida ancha ha enfrentado durante mucho tiempo problemas de degradación del rendimiento causados por la separación de fases inducida por la luz y la migración de iones haluro. El equipo de investigación señaló que los defectos de plomo subcoordinado y las vacantes de haluro asociadas son factores clave que desencadenan la inestabilidad: estos defectos no solo actúan como centros de recombinación y alteran el entorno cristalino local, sino que también proporcionan canales para la migración de iones haluro. Aunque las estrategias tradicionales de pasivación post-tratamiento pueden reducir algunos defectos después de la cristalización, su control sobre la formación de defectos durante el crecimiento de la película delgada es limitado, y la segregación de haluros inducida por la luz durante el funcionamiento a largo plazo sigue siendo difícil de suprimir.
Para ello, los investigadores emplearon el compuesto orgánico sulfurado bis(2-piridilmetil)sulfuro (2PyS) para ajustar finamente el entorno de coordinación local de los iones de plomo (Pb) en la capa de perovskita. La fuerza de unión del 2PyS con el yoduro de plomo (PbI₂) es mayor que la de los disolventes comunes como la dimetilformamida (DMF) y el dimetilsulfóxido (DMSO), lo que permite regular de manera más efectiva el entorno de coordinación de los iones de plomo durante la formación de la perovskita, influyendo así en el proceso de cristalización. Las mediciones de fotoluminiscencia in situ mostraron que el 2PyS puede ajustar la cinética de cristalización, inhibir la nucleación rápida y promover un crecimiento más uniforme de la película, reduciendo finalmente la recombinación no radiativa y mejorando la integridad estructural y la estabilidad de fase.
La célula superior de perovskita utiliza un electrodo frontal de óxido de indio y estaño (ITO), una capa de transporte de huecos de óxido de níquel (NiOx), una capa interfacial de monocapa autoensamblada (SAM), una capa absorbente de perovskita, una capa de transporte de electrones de fullereno C60, una capa tampón de óxido de estaño (SnO₂), un electrodo transparente de ITO y un contacto metálico de plata (Ag). La subcélula inferior de CIGS está compuesta por un electrodo posterior de molibdeno (Mo), una capa absorbente de CIGS, una capa tampón de sulfuro de cadmio (CdS) y una capa de ventana a base de óxido de zinc (óxido de zinc intrínseco i-ZnO y óxido de zinc dopado con aluminio Al:ZnO).
Los resultados de las pruebas mostraron que la subcélula inferior de CIGS independiente alcanzó una eficiencia de conversión de potencia del 19,65% bajo iluminación de espectro completo; al operar debajo de la célula superior de perovskita semitransparente, la eficiencia de la subcélula se redujo al 7,5% debido a la disminución de la luz incidente disponible causada por el filtrado espectral. La eficiencia de la célula superior fue del 22,21%, y la eficiencia total del dispositivo en tándem de cuatro terminales (4T) integrado alcanzó el 29,71%. El equipo de investigación afirmó que esta es una de las eficiencias más altas reportadas hasta la fecha para células solares en tándem de cuatro terminales de perovskita/CIGS.
Los resultados relacionados se publicaron en IPOScience bajo el título "Coordination-regulated defect suppression enables stable wide-bandgap perovskites for efficient perovskite/CIGS tandem solar cells".