Estudio de los efectos de temperatura y humedad durante la cristalización de perovskita hibrida (CH3NH3Pbl3) para aplicaciones en celdas solares

Abstract

El presente trabajo busca solucionar unos de los problemas principales de las celdas solares a base de perovskita, que consiste en el control de la morfología de cristalización del material, que se ve afectada fuertemente por los factores ambientales al momento de la cristalización. Para ello se decidió realizar el trabajo en dos partes, la primera es un estudio de los efectos de temperatura de cristalización en el material y la optimización de ésta para una mejor resistencia a la degradación, además de brindar la mayor eficiencia posible. La segunda es un estudio de los efectos de humedad relativa durante el proceso de cristalización de Perovskita hibrida (CH_3 NH_3 PbI_3) aplicada en la celda solar, observando los efectos de la coordinación entre las moléculas de agua del medio ambiente y el aditivo dimetil sulfoxido (DMSO), generando así una correcta morfología en el material y aumentando el Factor de Forma (FF) de las celdas solares. En la primera parte, el estudio en películas fue desarrollado en los laboratorios del “Grupo de Películas Delgadas” de la Universidad Nacional de Ingeniería, Lima - Perú, en donde se realizó la síntesis por el método de depósito en un solo paso con recubrimiento por spin coating y un lavado con dietil éter después de empezar el proceso con una solución precursora compuesta por una proporción equimolar entre el PbI_2, CH_3 NH_3 I y DMSO (1:1:1)[1], disuelta en N,N-dimetilformamida (DMF) y cristalizada a temperaturas variables (50°C / 80°C / 100°C / 120 °C / 150 °C). Observándose una mayor cantidad de agujeros en el material y una rápida degradación a medida que aumenta la temperatura de cristalización, principalmente en las películas cristalizadas a 120º y 150ºC. Por otro lado, las películas cristalizadas a temperaturas de 50ºC y 80ºC muestran una baja eficiencia por presencia de complejos de plomo generados. Terminando así con la optimización de la temperatura de cristalización a 100ºC, dado que estas películas tienen un menor número de agujeros y mayor resistencia a la degradación, además de presentar menor cantidad de complejos de plomo generados, por ello presentar una mayor eficiencia. En la segunda parte se realizó el estudio de los efectos de la humedad relativa en las celdas solares, en los laboratorios del “Grupo de Dispositivos Fotovoltaicos y Opto electrónicos”, Castellón – España, las cuales están elaboradas por una serie de capas nanométricas depositadas una tras otra; FTO / c-TiO_2 / m-TiO_2 / CH_3 NH_3 PbI_3 / Spiro-MeOTAD / Au, a través de las técnicas de deposición por Spray pyrolisis, Spin-Coating y evaporación metálica. Observándose una relación inversa entre la humedad relativa y la proporción de DMSO para la obtención de una correcta morfología de cristalización en la capa de perovskita, esto debido a la alta afinidad y coordinación que hay entre las moléculas de DMSO y agua, las cuales compiten entre sí para enlazase con los átomos de plomo y formar otros complejos de plomo. Obteniéndose una morfología más homogénea en el material y evitando formación de complejos de plomo, principalmente 〖PbI〗_3 S_3^- (λ=375 nm) y 〖PbI〗_4 S_2^(-2) (λ=425 nm), los que generan una resistencia interna y recombinaciones, afectando así el FF. Además de encontrar una proporción molar total (n + m = 1.6, Proporción molar de DMSO (n) y Proporción molar de la humedad relativa (m),) que debe interactuar con la solución precursora a condiciones no anaeróbicas durante la deposición de la perovskita en la celda solar. Finalmente, habiendo encontrado los parámetros óptimos de temperatura y Humedad se elaboró celdas solares de alta eficiencias con una alta replicabilidad y parámetros característicos de densidad de corriente en corto circuito (J_sc) del 21 mA/cm2, un Voltaje en circuito abierto (V_oc) de 1028 mV, un factor de llenado (FF) alrededor del 79 % y eficiencias (η %) del 17.3%.