ES3033111T3 - A perovskite solar cell - Google Patents

A perovskite solar cell

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ES3033111T3
ES3033111T3 ES22773476T ES22773476T ES3033111T3 ES 3033111 T3 ES3033111 T3 ES 3033111T3 ES 22773476 T ES22773476 T ES 22773476T ES 22773476 T ES22773476 T ES 22773476T ES 3033111 T3 ES3033111 T3 ES 3033111T3
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porous carbon
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Tanja Ivanovska
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Abstract

Una célula solar de perovskita con un apilamiento de capas, dispuestas en el siguiente orden: una capa de electrodo frontal (15), una capa fotoactiva (13) de perovskita y una capa de electrodo posterior (11) de carbono poroso con múltiples poros (111). La célula solar comprende además un material de transporte de carga (12) que rellena al menos algunos de los múltiples poros (111) del carbono poroso de la capa de electrodo posterior (11). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Una célula solar de perovskita
Campo técnico
La presente divulgación se refiere a una célula solar de perovskita (PSC) para aplicaciones fotovoltaicas (PV), incluyendo estructuras solares interiores y exteriores, módulos de células solares a base de vidrio, módulos de células solares a base de sustrato flexibles, etc.
Antecedentes
Los dispositivos solares con células solares de perovskita (PSC) de disposición de heterounión plana, en la configuración n-i-p o p-i-n, son comercialmente atractivos. En estos dispositivos, los materiales individuales se aplican secuencialmente en forma de capas finas (películas), que incluye dos electrodos, denominados también contactos, un electrodo frontal transparente o translúcido (TFC) y, típicamente, un electrodo posterior opaco o semitransparente. Típicamente, los electrodos posteriores están hechos de metal, por ejemplo, oro o plata. Los PSC también comprenden una pila de capas, que incluye una capa fotoactiva de perovskita, dispuesta entre los dos electrodos. La perovskita constituye un material fotoactivo, que puede intercalarse con dos capas de transporte de carga, la capa de transporte de huecos (HTL) y la capa de transporte de electrones (ETL). Sin embargo, debido a la naturaleza policristalina del material de perovskita, la calidad cristalográfica de la capa de perovskita (distribución de orientación de grano de perovskita y distribución de tamaño de grano) afecta a las propiedades optoelectrónicas de la película fotoactiva y, a su vez, a los parámetros fotovoltaicos de todo el dispositivo.
Uno de los enfoques conocidos que tiene como objetivo mejorar el rendimiento de los dispositivos de PSC de heterounión (HJ) consiste en proporcionar una heterounión en masa (BHJ) que emplea (en lugar de contacto plano) un contacto íntimo (en masa) entre las moléculas donadoras y aceptoras en una película mezclada que facilita la generación de carga y la formación de vías de transporte de carga que permiten la extracción eficiente de cargas de la película a granel a los electrodos metálicos deseados. En la heterounión en masa, las moléculas donadoras y aceptoras, en su interfaz, forman de este modo complejos de transporte de carga (CT) donador-aceptor. De este modo, las estructuras de las células solares a base de perovskita/BHJ integradas normalmente pueden mostrar una captación de luz mejorada.
A partir de la bibliografía de patentes, existen arquitecturas conocidas que emplean células solares de perovskita/BHJ integradas para aplicaciones PV.
La publicación de patente china CN106654020 presenta una arquitectura de célula solar de perovskita con heterounión en masa (BHJ) donde el material de perovskita se dispone como donador de electrones. Esta heterounión en masa está dispuesta en la superficie de la película fina de perovskita, empleando un componente aceptor de BHJ seleccionado de TiO2 cristalino, SnO2 cristalino ZnO cristalino, fullereno, derivado de fullereno, perileno, naftalimida, basándose en el material de macromolécula orgánica de anillo condensado de tiofeno, grafeno, negro de carbón, grafito, Fe2O3 cristalino, ZnSnO3 cristalino, CdS cristalino o nanocristal de CdSe. El método de producción de la célula solar de perovskita consiste en recubrir un sustrato (por ejemplo, vidrio FTO) con una solución de precursor de perovskita y dispersión de material de perovskita/aceptor de electrones, formar una película precursora de heterounión y realizar la cristalización para obtener una heterounión en masa.
La solicitud de patente china CN108574050 describe el método para la preparación de la arquitectura solar de perovskita que implica BHJ de perovskita/MoS2. El método comprende la preparación de la capa de transporte de huecos de PEDOT:PPS en el vidrio de ITO; a continuación, se forma una capa de tampón de MoS2 sobre la misma; posteriormente, se prepara la heterounión perovskita-MoS2 en la capa tampón. Obtenida de esta manera, la capa de heterounión perovskita-MoS2 está recubierta con la capa de transporte de electrones de PBCM. El PBCM se recubre con una capa de bloqueo de huecos de Bphen y, finalmente, con una capa de electrodo de Ag.
Entre las estructuras conocidas de células solares de perovskita, las de los electrodos superiores (posteriores) de carbono son de mayor interés. El carbono constituye un material de electrodo de coste considerablemente bajo (en comparación con los electrodos de plata y oro) que exhibe una colección eficiente de cargas, por ejemplo, huecos. Los electrodos de carbono se pueden preparar a partir de pasta de carbono que normalmente comprende escamas de grafito y polvo de negro de carbono como ingredientes donadores de carbono. Asimismo, el carbono se considera un material estable y anticorrosivo, y las PSC de carbono (C-PSC) muestran una buena estabilidad a largo plazo en un entorno ambiental.
Sin embargo, uno de los inconvenientes asociados con el uso de carbono como la capa de electrodo posterior (superior) en los PSC de arquitectura n-i-p radica en un contacto deficiente en la interfaz de perovskita/carbono. Esto conduce a una selectividad ineficaz de las cargas y a una recombinación inesperada de huecos de electrones que se produce en la interfaz de carbono/perovskita. Por esa razón, los dispositivos C-PSC pueden sufrir una baja eficiencia de dispositivo. Para abordar este inconveniente, una capa de transporte de carga (HTL), por ejemplo, de ftalocianina de cobre (CuPc) y espiro-OMeTAD, CuSCN u otros materiales tales como polímeros, por ejemplo, P3HT, PEDOT:PSS, PTAA, poli-TPD, se proporcionan entre el electrodo de carbono y la capa de perovskita, dando como resultado una recombinación de carga reducida y, por lo tanto, un rendimiento mejorado del dispositivo de C-PSC.
La publicación científica de Xin Wu y col., "Efficient and stable carbon-based perovskite solar cells enabled by the inorganic interface of CuSCN and carbon nanotubes", J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 12236-12243 (DOI: 10.1039/c9ta02014d) describe C-PSC libres de HTM y a base de CuSCN, mostrados en la Figura 1. La célula solar descrita comprende la siguiente arquitectura: FTO/TiO2 compacto/TiO2 mesoporoso/perovskita/CuSCN/electrodo de carbono. En esta configuración, CuSCN facilita el transporte de huecos en la interfaz, mejora la eficiencia de extracción de carga y contribuye a una reducción de la recombinación de portadores, en el contacto perovskita/carbono. La capa de CuSCN se prepara directamente sobre un sustrato de FTO/TO/perovskita, mediante un proceso de recubrimiento por rotación, y llevando a cabo un proceso de cristalización sustancialmente rápido - para obtener una película densa, suave y continua de CuSCN, sin grietas ni poros. El electrodo de carbono se prepara sobre la capa de CuSCN existente.
En los C-PCS, el carácter de la interfaz de perovskita/carbono afecta el rendimiento fotovoltaico y la eficiencia de la célula. La pérdida de rendimiento que se origina de dicho carácter depende en gran medida de la alineación del nivel de energía en la interfaz y la continuidad del contacto mecánico entre los granos de perovskita y las partículas de grafito grandes típicamente comprendidas en la capa de electrodo de contacto posterior de carbono.
En estas arquitecturas, la aplicación de materiales de transporte de carga de tipo p (es decir, semiconductores de tipo p), tal como espiro-OMeTAD, polímero PTAA, polímero P3HT, etc., puede implicar inconvenientes, incluyendo costes sustancialmente altos de resistencia térmica limitada de materiales de tipo p (electrodo de carbono difícil de recocer depositado en dicha capa semiconductora de tipo p), así como su dificultad en la preparación, con una técnica de deposición basada en solución, de una capa uniforme de un material de tipo p sobre la parte superior de la película fina de perovskita (solubilidad limitada en disolventes que son ortogonales a la perovskita). Estos inconvenientes dificultan depositar una capa de transporte de huecos uniforme y plana (semiconductor de tipo p) sobre la superficie de la perovskita. La falta de uniformidad y planitud de la capa semiconductora de tipo p depositada puede afectar negativamente aún más el carácter de la interfaz de perovskita/carbono. Asimismo, puede producirse la formación de vacíos/huecos en la interfaz HTL/carbono, ya que el electrodo de carbono normalmente está compuesto por escamas de grafito que varían en decenas de nanómetros hasta el tamaño de micrómetros y, por lo tanto, la superficie de carbono presenta una rugosidad sustancialmente alta. Por tanto, la capa de carbono forma un contacto mecánico deficiente con la capa HTL plana de rugosidad nanométrica.
Algunos de los inconvenientes asociados con la eficiencia de transporte de carga insuficiente en la interfaz de perovskita/carbono se han abordado en diversas publicaciones de patentes.
La solicitud de patente china CN110752299 describe C-PSC que consisten en un sustrato de vidrio de óxido conductor transparente, una capa de bloqueo de huecos, una capa de transporte de electrones mesoporosa, una capa de absorción de luz de perovskita, capa de enlace de interfaz de perovskita y un electrodo posterior de carbono. La capa de enlace de interfaz de perovskita está hecha de tiocianato cuproso u óxido de níquel. En esta arquitectura, el electrodo posterior de carbono se prepara solo después de que se forma la capa de enlace de interfaz de perovskita. La capa de electrodo de carbono está hecha de pasta de carbono que se aplica sobre la capa de enlace de interfaz de perovskita y posteriormente se seca.
Además, la solicitud de patente china CN104465994 describe el método para preparar células solares de perovskita con electrodo superior de carbono (C-PSC) que tienen una capa de transporte de huecos (HTL) entre la perovskita y la capa de carbono. La capa de HTL está hecha de P3HT o Spiro-OMeTAD, y se aplica directamente sobre la capa de perovskita formada, mientras que la capa de carbono está hecha de la pasta de carbono, dispuesta sobre la superficie de la capa de HTL preparada. La pasta se recoce posteriormente a un intervalo de temperatura sustancialmente bajo (70 a 150 grados) durante 1 - 2 minutos.
El documento WO 2020/141252 A1 divulga un conjunto de células solares de doble cara. Una de las células solares es una célula solar a base de perovskita (CPSC), que está acoplada a una célula solar sensibilizada por colorante (DSSC).
Otro desafío en la tecnología de células solares de perovskita es el control de defectos en los materiales que componen los dispositivos fotovoltaicos, dando como resultado pérdidas de recombinación no radiativas. La mayoría de las pérdidas por recombinación en las células solares de perovskita tienen lugar en las interfaces con las capas selectivas de carga, una capa de transporte de electrones (ETL) y una capa de transporte de huecos (HTL), principalmente debido a una mayor densidad de los defectos presentes en la superficie de las capas finas (películas) de perovskita. Tales defectos se derivan de interrupciones o imperfecciones en una red cristalina de perovskita (es decir, semiconductor). Estos defectos pueden inducir estados electrónicos dentro de bandas prohibidas, que a su vez son responsables de atrapar portadores de carga fotogenerados, aumentando la tasa de recombinación no radiativa y, de este modo, reduciendo el rendimiento de la célula solar. Para suprimir estos procesos y también mejorar la estabilidad del dispositivo, las superficies de perovskita se someten a procesos de pasivación/modificación. Debido al carácter iónico del material de perovskita, las estrategias de pasivación conocidas incluyen interacciones iónicas o de coordinación con materiales externos que contienen ricos en electrones (estabilización de defectos cargados positivamente, por ejemplo, Pb2+ descoordinado) o grupos deficientes en electrones (sitios cargados negativamente, tales como antisitios de Pb, I- descoordinado). Asimismo, el dopaje molecular de la superficie de perovskita se puede utilizar para alterar las propiedades electrónicas y mejorar el rendimiento de los dispositivos a base de la capa fotoactiva de perovskita. Esto permite ajustar la funcionalidad de trabajo de los materiales, así como aumentar la selectividad de carga en la interfaz de la perovskita y el otro semiconductor, por ejemplo, semiconductor de tipo p (concentración reducida de portadores minoritarios).
Como se desprende de las publicaciones anteriores, las arquitecturas de las células solares de perovskita provistas de electrodo superior de carbono (C-PSC) se someten a un desarrollo constante con el objetivo de optimizar el carácter de la interfaz carbono/perovskita, para facilitar el transporte de carga y la eficiencia de extracción de carga, para mejorar el rendimiento general de los dispositivos C-PSC.
Sumario de la invención
Por lo tanto, sería deseable desarrollar aún más la arquitectura de las C-PSC para mejorar la eficiencia del transporte de carga entre las capas de perovskita y de electrodo para aumentar la eficiencia en las C-PSC.
En un aspecto, la invención se refiere a una célula solar de perovskita que tiene una pila de capas, en donde las capas están dispuestas en el siguiente orden: una capa de electrodo frontal, una capa fotoactiva que comprende un material de perovskita y una capa de electrodo posterior que comprende un material de carbono poroso que tiene una pluralidad de poros abiertos, en donde la célula solar comprende además un material de transporte de carga configurado para transportar las cargas entre la capa fotoactiva y la capa de electrodo posterior; el material de transporte de carga rellena al menos parte de la pluralidad de poros abiertos del material de carbono poroso de la capa de electrodo posterior y forma una heterounión en masa con el material de perovskita de la capa fotoactiva y una interfaz con el material de carbono poroso de la capa de electrodo posterior dentro de los poros abiertos.
El material de transporte de carga dispuesto dentro de los poros abiertos de la capa de electrodo posterior e integrado con la heterounión en masa de perovskita, proporciona vías de transporte de carga más eficientes, entre el material de perovskita y el material de carbono, debido a que esta configuración permite un área aumentada de la interfaz de material de transporte de carbono/carga, en comparación con las disposiciones planas (en capas) conocidas de los materiales de transporte de carga. De acuerdo con la presente divulgación, el material de transporte de carga rellenando los poros abiertos del material de carbono poroso, linda con toda el área de las paredes de los poros abiertos. Además, en la interfaz perovskita/carbono, el material de transporte de carga rellena los vacíos, entre la capa fotoactiva y la capa de contacto posterior, proporcionando de este modo una optimización interfacial de la célula solar. La porosidad del material de carbono se debe a que el material de carbono está compuesto por partículas de carbono sustancialmente grandes (es decir, granos), preferiblemente en forma de escamas de carbono, preferiblemente con un tamaño de partícula de carbono de 2 a 9 pm. De este modo, las partículas de carbono no pueden adaptarse únicamente a la rugosidad del material de perovskita, tampoco pueden llenar las irregularidades de la superficie de perovskita para proporcionar un área de contacto aumentada. De este modo, las partículas de carbono del material de carbono no pueden tener contacto íntimo con el material de perovskita de la capa fotoactiva (en la superficie del material de perovskita). Estos inconvenientes han sido superados por la presente divulgación. En concreto, de acuerdo con la presente divulgación, el material de transporte de carga se adapta a la rugosidad de la superficie de perovskita y rellena los poros, incluidos los poros abiertos 111 del material de carbono. Esto proporciona un aumento en la eficiencia de la célula solar, mejor contacto electrónico y mecánico, así como una mayor adhesión de las capas.
Preferiblemente, la capa de electrodo posterior está configurada para recoger huecos, y el material de transporte de carga comprende un material de transporte de huecos (HTM) configurado para extraer y transportar huecos de la capa fotoactiva a la capa de electrodo posterior (11).
En esta configuración, la BHJ implica el material de perovskita como donador de huecos, y HTM como el aceptor de huecos, proporcionando un área de contacto mejorada entre el material de perovskita y el material de carbono (rellenando los vacíos entre los mismos), extracción de huecos mejorada del material de perovskita y recombinación reducida en la interfaz. En esta configuración, el material de carbono actúa como un metal que no tiene una selectividad de huecos ideal (por lo tanto, algunos portadores minoritarios - electrones podrían extraerse, lo que conduce a una mayor recombinación), y el HTM incorporado, de acuerdo con la presente divulgación, actúa como el aceptor de huecos proporcionando una extracción de huecos más eficiente de la perovskita.
Preferiblemente, el material de transporte de huecos comprende al menos uno de los materiales seleccionados del grupo que consiste en: CuSCN, poli(3-hexiltiofeno-2,5-diilo) (P3HT), Cu2O, Cul, PTAA, y PEDOT:PSS.
Los materiales anteriores son especialmente adecuados para la configuración desarrollada de la célula solar porque cada uno de los materiales puede funcionar eficazmente como capa selectiva de huecos y de transporte de huecos, proporcionando una extracción eficaz de huecos del material de perovskita y un transporte eficiente de huecos a través de la capa, así como una alta movilidad de huecos.
Preferiblemente, el material de transporte de huecos (HTL) se mezcla además con al menos un compuesto de pasivación. El compuesto de pasivación se selecciona preferiblemente del grupo que consiste en sales de alquilamonio y cationes de alquilamonio fluorados, materiales que contienen restos donadors de electrones (bases de Lewis, átomos donadors de electrones, tales como O, N y/o S) o materiales que contienen restos aceptores de electrones (por ejemplo, ácidos de Lewis).
El uso de compuestos de pasivación proporciona la pasivación de los estados de trampa presentes en el volumen de la capa de perovskita, así como de la superficie de la capa fina. Especialmente, las sales de alquilamonio proporcionan el relleno de sitios de Pb no coordinados del material de perovskita y la formación de material de perovskita de baja dimensión; bases de Lewis, los materiales de carácter donador de electrones, tales como aminas, amidas, sulfuros, ácidos carboxílicos, ácidos fosfónicos, por ejemplo piridina, tiourea, tiofeno, urea, anilina, bencilamina, tioacetamida, óxido de tribencilfosfina, ácido acético, 1-butanotiol, ácido mercaptobenzoico, que proporcionan relleno de sitios de Pb descoodinado y pasivación de defectos de carga positiva; adicionalmente, ácidos de Lewis, los materiales de carácter atractor de electrones, por ejemplo, fullereno, PCBM, yodopentafluorobenceno, trs(pentafluorofenil)fospina, 2,3,5,6-tetrafluoro-7,7,8,8-tetracianoquinodimetano (F4TCNQ) (con el mecanismo de pasivación de I descoordinado, antisitos Pb-I, que proporcionan pasivación de defectos con una carga negativa. El proceso de pasivación mencionado anteriormente puede lograrse mediante la pasivación sinérgica de defectos a través de los compuestos de pasivación, es decir, ácidos y bases de Lewis, iones metálicos o enlaces iónicos.
Preferiblemente, en donde la capa de electrodo frontal está hecha de un material configurado para recoger electrones, seleccionado del grupo que consiste en FTO, ITO, IZO y AZO.
Esto proporciona una funcionalidad adecuada de la estructura celular.
Preferiblemente, la pila de capas comprende además una capa de transporte de electrones (ETL) entre la capa fotoactiva y la capa de electrodo frontal.
La presencia de la capa de transporte de electrones (ETL) proporciona una mayor selectividad de los electrones y una menor recombinación de carga.
Preferiblemente, la capa de transporte de electrones comprende un material seleccionado del grupo que consiste en SnO2, TiO2, ZnO y PCBM.
Los materiales anteriores que sirven como capa de transporte de electrones proporcionan una mayor selectividad de electrones y un transporte de electrones efectivo a través del espesor de ETL hacia el material de electrodo, reduciendo de este modo, aún más, las pérdidas por recombinación.
Preferiblemente, el material de carbono poroso de la capa de electrodo posterior tiene un valor de área de superficie específica (SSA) en el intervalo de 10 a 400 m2/g, medido por el método de adsorción Brunauer-Emmet-Teller (N2-BET).
Esto proporciona una infiltración mejorada del material de carbono poroso con la solución de modificación que comprende el material de transferencia de carga y, por lo tanto, una distribución más regular del material de transferencia de carga dentro de las áreas de interfaz, es decir, entre el material de carbono de la capa de electrodo posterior. Asimismo, el material de carbono, comprendido en la capa de electrodo posterior 11 con el valor de SSA mencionado anteriormente, proporciona un control mejorado del proceso de introducción del material de transferencia de carga en la estructura celular, lo que conduce a un control mejorado de la recristalización en el material de perovskita, evitando, de ese modo, una disolución completa de la perovskita - de modo que se crea BHJ en el mismo.
Preferiblemente, la capa de electrodo posterior está hecha completamente del material de carbono poroso.
Esto proporciona un área óptima de la interfaz de material de transporte de carbono/carga entre la perovskita y el material de carbono, proporcionando un contacto mecánico mejorado de los materiales de la célula solar, y un área mayor de BHJ formada.
Preferiblemente, el material de carbono poroso comprende escamas de grafito con un tamaño de partícula de 2 - 9 pm.
Las escamas de grafito no inferiores a 2 pm permiten una penetración más fácil de la solución de modificación; sin embargo, las escamas de grafito de más de 9 pm podrían afectar a la conectividad entre las escamas y las propiedades generales de transporte de carga de la capa de electrodo de carbono.
Preferiblemente, la capa fotoactiva está hecha de material de perovskita seleccionado del grupo que consiste en perovskitas orgánicas-inorgánicas con la fórmula ABX3, en donde: A - es un catión de alquilamonio o un catión metálico tal como un catión Cs, B - es Pb, Sn, o una mezcla de Pb y Sn, y X- es un anión haluro seleccionado del grupo que consiste en I-, Br- o Cl-, o una mezcla de los mismos.
Estos materiales de perovskita proporcionan una captación de luz más eficaz, cuando se implementan dentro de la arquitectura de célula con el electrodo posterior comprendiendo material de carbono poroso, lo que conduce a la generación de portadoras libres y proporciona un transporte de carrera efectivo hacia contactos selectivos de carga, debido a las largas longitudes de difusión del portador.
En otro aspecto, la invención se refiere a un método para preparar una célula solar de perovskita que comprende proporcionar una capa de electrodo frontal, formar una capa fotoactiva que comprende un material de perovskita, en la capa de electrodo frontal, formar una capa de electrodo posterior que comprende un material de carbono poroso que comprende una pluralidad de poros abiertos, directamente sobre la capa fotoactiva, llenar los poros abiertos del material de carbono poroso con una solución de modificación que comprende un material de transporte de carga y un sistema disolvente, y evaporar el sistema disolvente de la solución de modificación.
El método desarrollado proporciona un relleno eficiente de los huecos dentro del material de carbono poroso del electrodo de contacto posterior. Por tanto, un área mayor de la interfaz: carbono/material de transporte de carga, puede conseguirse. En el método desarrollado, el material de transporte de carga, en la forma de una solución de modificación, se aplica (vierte) directamente sobre la capa de electrodo posterior ya formada (desde la parte superior). La solución de modificación que comprende el material de transporte de carga puede hundirse en los poros del carbono alcanzando así, a través de los poros abiertos, el material de perovskita de la capa fotoactiva. El sistema disolvente de la solución de modificación disuelve parcialmente la perovskita, en los límites de los granos de perovskita (penetrando hasta cierta profundidad los granos de perovskita). A continuación, durante la etapa de evaporación del sistema disolvente, el material de perovskita disuelto se recristaliza formando la heterounión en masa (BHJ) con el material de transporte de carga que permanece en los poros y en los límites del material de perovskita, después de la evaporación.
Asimismo, la perovskita recristalizada que forma BHJ proporciona una mayor calidad optoelectrónica debido a tamaños de grano de perovskita más uniformes, morfología más compacta y menos defectos en el material de perovskita recristalizada, lo que conduce a una recombinación no radiativa limitada.
También, el método desarrollado proporciona una adhesión y un contacto mecánico mejorados de los materiales adyacentes, incluyendo perovskita, carbono poroso y material de transporte de carga. El material de transporte de carga que llega al material de perovskita a través de los poros abiertos, puede llenar los huecos existentes en la interfaz de carbono/perovskita porque el material de transporte de carga se proporciona en forma de su solución líquida, es decir, la solución de medicación. Se cree además que el material de perovskita recristaliza dentro de los poros de carbono. De esta forma, la solución de modificación que comprende el material de transporte de carga también puede alcanzar algunos de los huecos que no tienen conexiones directas con los poros abiertos del material de carbono, y están conectados con las áreas del material de perovskita, ya alcanzada por la solución de modificación. Después de llenar el vacíos, el sistema disolvente de la solución de modificación se evapora y el material de transporte de carga permanece atrapado dentro de la pila de la célula solar, lo que da como resultado la formación tanto de la heterounión en masa (BHJ) con el material de perovskita de la capa fotoactiva como de la interfaz con el material de carbono poroso de la capa de electrodo posterior dentro de los poros abiertos.
Preferiblemente, la evaporación del sistema disolvente se lleva a cabo a una temperatura de 18 a 200 °C para y en donde el sistema disolvente que se va a evaporar comprende al menos uno de los componentes seleccionados del grupo que consiste en DMF, DMSO, Y-butirolactona (<g>B<l>), 2-metilpirazina, 2-metoxietanol, NMP, DMAC, acetonitrilo, agua, etanol, isopropanol, tolueno y clorobenceno.
El uso de tales disolventes como componentes del sistema disolvente proporciona la disolución requerida del material de transporte de carga y aditivos opcionales tales como compuestos de pasivación, si están comprendidos en la solución de modificación, así como la disolución parcial del material de perovskita para que la capa de perovskita prístina pueda recristalizarse parcialmente junto con la evaporación del sistema disolvente, en un intervalo de temperatura relativamente bajo.
Preferiblemente, el relleno de los poros abiertos se lleva a cabo utilizando la solución de modificación que comprende el material de transferencia de carga seleccionado del grupo que se compone de CuSCN, PTTA, CuSCN, poli(3-hexiltiofeno-2,5-diilo) (P3HT), Cu2O, y Cul, PTAA, y PEDOT:<p>S<s>, en donde la concentración total del material de transferencia de carga en la solución de modificación varía de 0,1 a 100 mg/ml.
Tal composición proporciona los parámetros deseados del BHJ formado.
Preferiblemente, el relleno de los poros abiertos se lleva a cabo mediante un método seleccionado del grupo que consiste en vertido, recubrimiento por pulverización, impresión por inyección de tinta y recubrimiento con matriz de ranura de la solución de modificación sobre el material de carbono poroso de la capa de electrodo posterior.
Tales métodos proporcionan un relleno eficiente de los poros abiertos.
Breve descripción de los dibujos
Los aspectos y características de la presente invención se harán evidentes describiendo, en detalle, realizaciones ilustrativas de la presente invención con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
la Fig. 1 presenta la arquitectura de célula solar de perovskita/BHJ integrada de la técnica anterior de Xin Wu y col., "Efficient and stable carbon-based perovskite solar cells enabled by the inorganic interface of CuSCN and carbon nanotubes", J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 12236-12243 (DOI: 10.1039/c9ta02014d);
la Fig. 2A presenta una estructura de célula solar de perovskita antes de su tratamiento;
la Fig. 2B presenta una estructura de célula solar de perovskita después de su tratamiento, con una representación esquemática de BHJ (en ampliación);
la Fig. 3A presenta una imagen SEM de una sección transversal de una célula solar de perovskita/BHJ, preparada mediante el método de acuerdo con la presente invención;
la Fig. 3B presenta una imagen SEM de una vista superior de una zona mixta de perovskita-CuSCN de una célula solar de perovskita/BHJ, preparada mediante el método de acuerdo con la presente invención;
la Fig. 4 presenta una imagen SEM de una sección transversal de la célula solar de perovskita/BHJ, donde el material de perovskita se infiltra con CuSCN, con espesores de capas medidas, preparada mediante el método de acuerdo con la presente invención;
la Fig. 5A presenta una imagen SEM en sección transversal de la arquitectura de célula de perovskita/carbono, sin modificación - ejemplo comparativo;
la Fig. 5B presenta una imagen SEM en sección transversal de la arquitectura de célula de perovskita/carbono, en donde el material de perovskita se infiltra con CuSCN, de acuerdo con la presente divulgación;
la Fig. 6 presenta las características de tensión-densidad de corriente de las células solares de perovskita sin la modificación (comparativa) y después de un tratamiento de modificación de acuerdo con la presente divulgación.
Descripción detallada de las realizaciones
A continuación se hará referencia a las realizaciones, cuyos ejemplos se ilustran en los dibujos adjuntos. Se describirán los aspectos y características de la célula solar desarrollada con referencia a los dibujos adjuntos. En los dibujos, los números de referencia similares indican elementos similares. La presente invención, sin embargo, puede realizarse de diversas formas diferentes y no debe interpretarse como estando limitada solo a las realizaciones ilustradas. Más bien, la realización presentada se proporciona como ejemplo de manera que esta divulgación sea exhaustiva y completa, y exprese plenamente los aspectos y características de la presente invención para los expertos en la materia. Debe entenderse que no todas las características mostradas en la realización son esenciales y el alcance de la protección no se define por medio de la realización literalmente mostrada, sino por las características proporcionadas en las reivindicaciones.
Las Fig. 2B, 3 presentan una célula solar de perovskita de acuerdo con la presente invención. La célula solar comprende una capa fotoactiva 11 que comprende material de perovskita, preferiblemente, la capa activa a la luz puede estar hecha completamente del material de perovskita. Los ejemplos no limitantes de los materiales de perovskita para la capa fotoactiva se seleccionan del grupo que consiste en perovskita 3D, 2D y cuasi-2D, por ejemplo: perovskitas 3D de fórmula general: ABX3 en donde A indica metilamonio, formamidinio, cesio o una mezcla de los mismos, B indica Pb, Sn o una mezcla de los mismos, X indica yodo, bromo, flúor o una mezcla de los mismos; perovskita 2D de fórmula general A2BX4 en donde A' indica un catión alquilamonio grande (por ejemplo, butilamonio, fenetilamonio o 4-fluorofenetilamonio, etc.), B indica Pb, Sn o mezclas de los mismos, X indica yodo, bromo, flúor o una mezcla de los mismos; o mezcla de preovskitas 2D y 3D, también denominadas perovskitas cuasi-2D de fórmula general A'2An-1PbnX3n+1, en donde A' indica un catión de alquilamonio grande tal como, por ejemplo, butilamonio, fenetilamonio o 4-fluorofenetilamonio, etc., A indica metilamonio, formamidinio, cesio o una mezcla de los mismos, B indica Pb, Sn o mezclas de los mismos, X indica yodo, bromo, flúor o una mezcla de los mismos; en las fórmulas anteriores, n normalmente puede ser igual a 3-6.
Asimismo, la célula solar de perovskita comprende una capa de electrodo frontal 15, que puede estar hecho de diversos materiales transparentes o translúcidos, adecuado para la recogida de carga, y más preferiblemente para la recogida de electrones, por ejemplo, electrodo conductor transparente (TCO), hecho de ITO, IZO, FTO, y/o AZO. La capa de electrodo frontal 15 puede depositarse sobre el sustrato 16, por ejemplo, sustrato deformable (por ejemplo, flexible) tal como una lámina de plástico transparente o translúcida, por ejemplo, de PET (poli(tereftalato de etileno)), PEN ((poli(2,6-naftalato de etileno)), ETFE (poli(eteno-co-tetrafluoroeteno)) y/o PI (poliimida); o sustrato rígido 16, por ejemplo, hecho de vidrio. La presencia del sustrato deformable 16 puede proporcionar deformabilidad de la célula solar.
Además, la célula solar comprende una capa de electrodo posterior 11 que comprende material de carbono poroso que tiene una pluralidad de poros abiertos. Preferiblemente, la capa de electrodo posterior 11 está hecha completamente de material de carbono poroso. El material de carbono poroso, junto a los poros abiertos, puede comprender además poros saccafe y/o poros cerrados.
La expresión'poros abiertos'utilizada en el presente documento se refiere a los poros que se comunican con las superficies externas, que están abiertos en dos extremos; los poros abiertos también se denominan poros pasantes.
La expresión'poros cerrados'utilizada en el presente documento se refiere a los poros sin extremo abierto, en donde la expresión'poros saccafe'se refiere a losporosque están abiertos solo en un extremo. Los poros saccafe también se denominan poros ciegos o poros sin salida.
Preferiblemente, el material de carbono de la capa de electrodo posterior 11 tiene un valor de área de superficie específica (SSA) en el intervalo de 10 a 400 m2/g, medido por el método de adsorción Brauner-Emmett-Teller (N2-BET). El valor de SSA del intervalo anterior proporciona un relleno adecuado de los poros abiertos del material de carbono con una solución de modificación que comprende el material de transporte de carga 12 y, de este modo, obtiene una zona de heterounión en masa (BHJ) 12a, entre la perovskita y el material de transporte de carga 12, como se describe en el presente documento.
La expresión 'área de superficie específica' (SSA) utilizada en el presente documento se entiende como el área de superficie total de un material sólido por unidad de masa. el valor de SSA depende del tamaño de partícula del material, así como de la estructura y porosidad del material. El valor de SSA puede medirse por el método de adsorción Brauner-Emmett-Teller (N2-BET).
Preferiblemente, la capa de electrodo posterior 11 está hecha completamente de material de carbono poroso de valor SSA en el intervalo de 10 a 400 m2/g. La capa de electrodo posterior 11 tiene preferiblemente un espesor en el intervalo de 5 a 15 pm, y más preferiblemente de 10 a 15 pm. El valor de SSA mencionado anteriormente y el espesor de la capa de electrodo posterior 11 juntos proporcionan una infiltración mejorada de la capa de electrodo posterior 11 con la solución de modificación que comprende el material de transporte de carga 12. De este modo, el material de transporte de carga 12 (que se infiltra en el material de carbono poroso de la capa de electrodo posterior 11) puede alcanzar la capa fotoactiva 13 que comprende el material de perovskita para efectuar la recristalización de perovskita apropiada, dando como resultado la formación de la zona de heterounión en masa (BHJ) 12a. De esta forma, el material de carbono poroso de la capa de electrodo posterior 11 protege, hasta cierto punto, el material de perovskita. En concreto, introducir el material de transporte de carga 12, a través de las porosidades del carbono poroso de la capa de electrodo posterior 11, proporciona medios para controlar la formación de heterounión en masa (BHJ) 12a. Esto se debe a la composición desarrollada de la solución de modificación que se infiltra en el carbono poroso y, de esta manera, el material de transporte de carga 12 alcanza el material de perovskita. El sistema disolvente de la solución de modificación comprende ingredientes que se seleccionan para disolver el material de transporte de carga (para proporcionar su concentración sustancialmente homogénea en la solución de modificación), así como para afectar el proceso de recristalización del material de perovskita, en los límites de los granos de perovskita, por tanto, en la interfaz de la capa fotoactiva 13. Dichos ingredientes seleccionados para el sistema disolvente no disuelven todo el material de perovskita, efectuando simultáneamente una transferencia indirecta del material de transferencia de carga 12, a través de las porosidades del material de carbono (infiltración). Como resultado, la cantidad óptima de moléculas del material de transferencia de carga 12 alcanza el material de perovskita, conduciendo a la formación del BHJ 12a de parámetros mejorados, lo que se muestra esquemáticamente en la Fig. 2B, en un cuadrado de ampliación.
Preferiblemente, el material de carbono poroso de la capa de electrodo posterior 11 puede estar hecho de partículas de carbono que tienen un tamaño de partícula de 0,1 pm a 100 pm y, más preferiblemente, un tamaño de partícula de 2 a 9 pm. Las partículas de carbono pueden tener varias formas, por ejemplo, escamas, tales como escamas de grafito conocidas con un tamaño de partícula de 2 - 9 pm, que proporcionan un tamaño de poro más grande y una infiltración mejorada del material de carbono poroso con el material de transporte de carga. Asimismo, con un tamaño de 2 -9 pm, las partículas (escamas) de carbono de grafito - como materia prima principal para la formación del material de carbono poroso de la capa de electrodo posterior 11, pueden proporcionar una menor resistencia superficial de la capa de electrodo 11, lo que es beneficioso para las características de la célula solar de perovskita. En la arquitectura de células solares de perovskita, las capas 11, 13, 15 están dispuestas en una pila en la que la capa fotoactiva 13 está dispuesta entre la capa de electrodo frontal 11 y la capa de electrodo posterior 15.
La célula solar comprende un material de transporte de carga 12 para transportar las cargas entre la capa fotoactiva 13 y la capa de electrodo posterior 11. Preferiblemente, el material de transporte de carga 12 es un material de transporte de huecos, por ejemplo, material de tipo p o semiconductor de tipo p. Los ejemplos no limitantes del material de transporte de huecos que se pueden usar para la célula solar se seleccionan del grupo que consiste en CuSCN,<poli(3-hexiltiofeno-2,5-diilo) (P3HT), Cu2O y Cul, ftalocianina de cobre (CuPc), P3HT,>P<ta>A,<PEDOT:PSS, espiro->OMeTAD y poli-TPD. Opcionalmente, el material de transporte de carga 12 puede mezclarse con diversos compuestos, por ejemplo, compuestos de pasivación - los aditivos para pasivar el material de perovskita, por ejemplo, seleccionados del grupo que consiste en: sales de alquilamonio y cationes de alquilamonio fluorados, materiales que contienen restos donadors de electrones (bases de Lewis, átomos donadors de electrones, tales como O, N y/o S) o materiales que contienen restos aceptores de electrones (por ejemplo, ácidos de Lewis).
El material de transporte de carga 12 rellena al menos parte de la pluralidad de poros abiertos del material de carbono poroso y forma una heterounión en masa 12a con el material de perovskita, así como una interfaz 12b con el material de carbono poroso, en las paredes de los poros abiertos. En otras palabras, el material de transporte de carga 12 se dispone, dentro de las estructuras de células solares, formando parches de transporte de carga (es decir, regiones eléctricamente continuas) configurados para transportar cargas entre el material de perovskita de la capa fotoactiva 13 y el material de carbono poroso de la capa de electrodo posterior 11, en toda la BHJ 12a y las interfaces 12b.
La arquitectura anterior permite la reducción de la recombinación de portadores en la interfaz perovskita/carbono, así como una calidad mejorada de la capa de perovskita, debido al proceso de recristalización controlado del material de perovskita, en la formación de BHJ. Estos factores también dan como resultado la estabilidad a largo plazo mejorada de la célula solar de perovskita desarrollada.
Además, la célula solar puede comprender la capa de transporte de electrones 14, entre la capa de electrodo frontal 15 y la capa fotoactiva 13, para una mayor reducción de las pérdidas por recombinación de hueco-electrón. Los ejemplos no limitantes de los materiales para la capa de transporte de electrones 14 se seleccionan del grupo que consiste en: SnO2, TiO2, ZnO y PCBM o fullerenos diferentes de PCBM capaces de transportar electrones.
Método de preparación
El método para la preparación de la célula solar de perovskita de acuerdo con la presente divulgación comprende preparar la pila de capas para la célula solar que comprende la capa de electrodo frontal 15, comprendiendo la capa de electrodo posterior 11 el material de carbono poroso, y comprendiendo la capa fotoactiva 13 el material de perovskita, dispuestas entremedio. La capa fotoactiva 13 se une directamente a la capa de electrodo posterior 11 de modo que los poros abiertos 111, a través de uno de sus extremos abiertos, alcanzan el material de perovskita de la capa fotoactiva 13. Los otros extremos abiertos de los poros abiertos 111 del material de carbono están expuestos principalmente en la superficie opuesta de la capa de electrodo posterior 11, de este modo, son accesibles desde el exterior. La capa de electrodo posterior 11 que comprende las áreas de material de carbono poroso de SSA en un intervalo de 10 a 400 m2/g puede prepararse mediante diversos métodos convencionales. Por ejemplo, la capa de electrodo posterior 11 hecha sustancialmente en su totalidad del material de carbono poroso puede prepararse aplicando una pasta de carbono sobre el material de perovskita de la capa fotoactiva 13. La pasta de carbono usada puede estar disponible comercialmente, tal como, por ejemplo, pasta de carbono: DN-CP01® (Dyenamo AB, Estocolmo, Suecia)) que comprende principalmente escamas de grafito como ingredientes donadores de carbono. Opcionalmente, la pasta de carbono se puede preparar mezclando materiales de carbón tales como escamas de grafito (0,9 g) (tamaño de malla de 1200) y negro de carbón (0,3 g) con PMMA (0,25 g) disuelto en 2 ml de clorobenceno disolvente. El aglutinante polimérico (PMMA) se usa para conectar los materiales de carbono entre sí. A continuación, la solución mezclada mecánicamente se muele a partículas de tamaño micrométrico (5 -10 micrones) usando una máquina de molienda de bolas. El proceso de molienda se puede realizar en tres etapas de 1 hora cada una.
La pasta de carbono puede, por ejemplo, rasparse o serigrafiarse en la capa fotoactiva 11 que comprende material de perovskita, bajo una atmósfera ambiente. Posteriormente, la pasta de carbono puede someterse a recocido a 80 -120 °C, preferiblemente durante 5 - 30 min. Tales condiciones permiten obtener parámetros adecuados del material de carbono poroso de la capa de electrodo posterior 11.
A continuación, la pila de capas obtenida (11, 13, 15) se somete al tratamiento que implica llenar los poros abiertos 111 del material de carbono con la solución de modificación que comprende el sistema disolvente y el material de transporte de carga disuelto con dicho sistema disolvente. La concentración del material de transporte de carga en la solución de modificación varía preferiblemente de 0,1 a 100 mg/ml, y más preferiblemente de 0,5 a 20 mg/ml. El sistema disolvente de la solución de modificación puede constituir un único compuesto disolvente o una mezcla de dos o más de dos disolventes, seleccionados para disolver el material de transporte de carga 12 y para disolver parcialmente el material de perovskita de la capa fotoactiva 13. La solución de modificación puede comprender además otros componentes, por ejemplo, uno o más de los compuestos de pasivación que sirven para la pasivación del material de perovskita. La concentración del compuesto o compuestos de pasivación en la solución de modificación puede oscilar entre 0,1 mg/ml y 20 mg/ml.
Más adelante, la Tabla 1 presenta las realizaciones ilustrativas de la composición de las soluciones de modificación con respecto a los materiales de perovskita de la capa fotoactiva 13:
Tabla 1 - Realizaciones ilustrativas de soluciones de modificación con respecto a los materiales de perovskita de la ca a fotoactiva:
La solución de modificación puede aplicarse con diversas técnicas de deposición sin contacto, por ejemplo, vertido, recubrimiento por pulverización o serigrafía, recubrimiento de matriz ranurada, sobre la superficie superior de la capa de electrodo posterior 11. A través de los poros abiertos 111, la solución de modificación que comprende el material de transporte de carga 12 (por ejemplo, material de transporte de huecos) alcanza el material de perovskita 13, disolviendo parcialmente los granos de perovskita prístinos y llenando los poros abiertos 111 del carbono poroso. Esta operación puede realizarse en aire ambiente; no se necesita atmósfera inerte. Después de la introducción de un volumen deseado de la solución de modificación, el sistema disolvente se evapora, calentando la pila de capas a 80 120 °C durante 1-10 minutos. En estas condiciones, se produce la recristalización de la perovskita y se obtiene el material de transporte de carga/perovskita-BJH deseado, en donde el espesor de la zona BHJ 12a obtenida se activa por: volumen de la solución de modificación, aplicación, concentración de material de transferencia de carga (por ejemplo, HTM) en la solución de modificación, composición particular del sistema disolvente utilizado y temperatura del sustrato durante la aplicación. De este modo, la solución de modificación que llega al material de perovskita induce la recristalización de perovskita. La recristalización proporciona una mejora en la calidad de la capa fotoactiva, así como la eliminación de discontinuidades y defectos en una estructura de material de perovskita.
Además, debido a la evaporación del sistema disolvente, el material de transporte de carga, así como otros ingredientes no volátiles, si están presentes en la solución de modificación, se 'solidifican' dentro de los poros del material de carbono poroso, rellenándolos. El material de transporte de carga que rellena los poros del material de carbono poroso aumenta la selectividad de la interfaz de perovskita-carbono para la extracción de huecos y reduce las pérdidas por recombinación. Esto se debe a que el material de transporte de carga forma parches de carga continua de calidad mejorada. Los parches implican perovskita/material de transporte de carga BHJ 12a e interfaces 12b de carbono/material de transporte de carga, que están dispuestos a lo largo de las paredes de los poros abiertos 111 del material de carbono poroso de la capa de electrodo posterior. Por tanto, el área de estas interfaces se puede aumentar considerablemente.
Dependiendo de las necesidades y de la arquitectura de dispositivo deseada (que comprende una pluralidad de células solares en una determinada disposición), entre las etapas posteriores de preparación de capas, se pueden llevar a cabo etapas de formación de patrones (por ejemplo, patrón láser).
Obtenida de esta manera, la pila de capas puede someterse a otro tratamiento, por ejemplo, encapsulación.
La estructura de célula solar de perovskita desarrollada puede incorporarse en diversos dispositivos de célula solar, tales como dispositivos de células solares flexibles para recolectar energía solar, implementados en una variedad de aplicaciones, incluyendo aplicaciones exteriores, aplicaciones interiores, módulos a base de vidrio, módulos a base de sustrato flexibles, etc.
Ejemplo:
Se preparó un dispositivo fotovoltaico de perovskita funcional y flexible que consistió en la siguiente arquitectura: PET / electrodo conductor transparente (IZO) / material de transporte de electrones (SnO2) / perovskita (MAPbh)/ electrodo de carbono poroso sometido a postratamiento con el material de transporte de huecos (CuSCN).
En lugar de la arquitectura con MAPbh, la célula solar con FAPbh se puede lograr de forma análoga.
La solución de modificación que comprende el material de transporte de carga: CuSCN) (para transporte de huecos) se preparó disolviendo CuSCN (1 mg) en 1 ml de DMF:IPA (1:1 volumen/volumen). A continuación, la solución se recubrió sobre la capa de carbono poroso del dispositivo mediante recubrimiento por pulverización. El dispositivo se mantuvo durante 5 minutos a 100 °C durante el recubrimiento para garantizar la evaporación inmediata del sistema disolvente y una recristalización rápida del material de perovskita. La solución de modificación (CuSCN/DMF:IPA) estaba penetrando en la capa de carbono poroso alcanzando la perovskita y disolviendo parcialmente la perovskita prístina. Tras la evaporación de DMF/IPA, la perovskita parcialmente disuelta se ha recristalizado con el CuSCN. La estructura final de la célula solar dio como resultado una capa de perovskita no disuelta (recristalizada), la capa de heterounión en masa formada a partir de perovskita/CuSCN recristalizada (región BHJ) y las regiones de carbono-CuSCN (poros abiertos llenos de CuSCN). La imagen de SEM de la sección transversal de la estructura de célula solar obtenida se muestra en la Fig. 3A (aumento - 70.000 x), y la imagen de SEM de vista superior que muestra la zona mixta de perovskita-CuSCN (perovskita recristalizada y CuSCN incorporada, a través de carbono) se muestra en la Fig. 3B (aumento -8000 x). La Fig. 4 muestra una imagen SEM de perovskita infiltrada (cerca de su superficie superior) con CuSCN, con espesores medidos de las capas respectivas.
La Fig. 5 representa otra realización de la presente divulgación, en donde la Fig. 5A muestra una imagen SEM de la estructura celular antes del tratamiento con el material de CuSCN, y la Fig. 5B presenta la imagen SEM de la estructura celular después de la infiltración del material CuSCN a través del material de carbono poroso de la capa de electrodo posterior. En la Fig. 5B, la zona BHJ (perovskita con CuSCN) es claramente visible, mientras que en la Fig. 5A no es visible ninguna zona BHJ.
La Fig. 6 presenta las características de tensión-densidad de corriente de las células solares de perovskita sin y después del tratamiento de modificación bajo iluminación y medición AM 1.5. Los dispositivos sin tratamiento funcionaron con una eficiencia del 10,5 %. Sin embargo, se puede observar una mejora importante en la densidad de corriente de cortocircuito (Jsc) y tensión de circuito abierto (Voc) para los dispositivos después del tratamiento, de acuerdo con la presente divulgación, con la solución de modificación preparada con CuSCN en DMF:IPA. Como resultado, aumentó la eficiencia del dispositivo al 13%. La mejora de PCE obtenida se puede atribuir a la recristalización de la perovskita en la superficie que elimina cualquier defecto superficial y una mejor extracción de carga a través del CuSCN relleno en los poros abiertos.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Una célula solar de perovskita que tiene una pila de capas, en donde las capas están dispuestas en el siguiente orden: una capa de electrodo frontal (15), una capa fotoactiva (13) que comprende un material de perovskita y una capa de electrodo posterior (11) que comprende un material de carbono poroso que tiene una pluralidad de poros abiertos (111), en donde la célula solar comprende además un material de transporte de carga (12) configurado para transportar las cargas entre la capa fotoactiva (13) y la capa de electrodo posterior (11),
caracterizada por que
el material de transporte de carga (12) rellena al menos parte de la pluralidad de poros abiertos (111) del material de carbono poroso de la capa de electrodo posterior (11) y forma una heterounión en masa (12a) con el material de perovskita de la capa fotoactiva (13) y una interfaz (12b) con el material de carbono poroso de la capa de electrodo posterior (11) dentro de los poros abiertos (111).
2. La célula solar de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la capa de electrodo posterior (11) está configurada para recoger huecos, y el material de transporte de carga (12) comprende un material de transporte de huecos (HTM) configurado para extraer y transportar huecos de la capa fotoactiva (13) a la capa de electrodo posterior (11).
3. La célula solar de acuerdo con la reivindicación 2, en donde el material de transporte de huecos comprende al menos uno de los materiales seleccionados del grupo que consiste en: CuSCN, poli(3-hexiltiofeno-2,5-diilo) (P3HT), Cu2O, y Cul, PTAA, y PEDOT:PSS.
4. La célula solar de acuerdo con las reivindicaciones 2 o 3, en donde el material de transporte de huecos se mezcla adicionalmente con al menos un compuesto de pasivación.
5. La célula solar de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, en donde la capa de electrodo frontal (15) está hecha de un material configurado para recoger electrones, seleccionado del grupo que consiste en ITO, IZO, FTO, y/o AZO.
6. La célula solar de acuerdo con la reivindicación 5, en donde la pila de capas comprende además una capa de transporte de electrones (14) entre la capa fotoactiva (13) y la capa de electrodo frontal (15).
7. La célula solar de acuerdo con la reivindicación 6, en donde la capa de transporte de electrones (14) comprende un material seleccionado del grupo que consiste en SnO2, TiO2, ZnO y PCBM.
8. La célula solar de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el material de carbono poroso de la capa de electrodo posterior (11) tiene un valor de área de superficie específica (SSA) en el intervalo de 10 a 400 m2/g, medido por el método de adsorción Brunauer-Emmet-Teller (N2-BET).
9. La célula solar de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la capa de electrodo posterior (11) está hecha completamente del material de carbono poroso.
10. La célula solar de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el material de carbono poroso comprende escamas de grafito con un tamaño de partícula de 2 - 9 pm.
11. La célula solar de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la capa fotoactiva (13) está hecha sustancialmente en su totalidad de un material de perovskita seleccionado del grupo que consiste en perovskitas de fórmula ABX3, en donde:
A - es un catión de alquilamonio o un catión metálico tal como un catión Cs,
B - es Pb, Sn, o una mezcla de Pb y Sn, y
X - es un anión haluro seleccionado del grupo que consiste en I', B r o Cl-, o una mezcla de los mismos.
12. Un método para preparar una célula solar de perovskita de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende:
- proporcionar una capa de electrodo frontal (15),
- formar una capa fotoactiva (13) que comprende un material de perovskita, en la capa de electrodo frontal (15), - formar una capa de electrodo posterior (11) que comprende un material de carbono poroso que comprende una pluralidad de poros abiertos (111), directamente sobre la capa fotoactiva (13),
- rellenar los poros abiertos (111) del material de carbono poroso con una solución de modificación que comprende un material de transporte de carga (12) y un sistema disolvente, y
- evaporar el sistema disolvente de la solución de modificación.
13. El método de acuerdo con la reivindicación 12, en donde la evaporación del sistema disolvente se lleva a cabo en un intervalo de temperatura de 18 a 200 °C, y en donde el sistema disolvente que se va a evaporar comprende al menos un componente seleccionado del grupo que consiste en DMF, DMSO, Y-butirolactona (GBL), 2-metilpirazina, 2-metoxietanol, NMP, DMAC, acetonitrilo, agua, etanol, isopropanol, tolueno y clorobenceno.
14. El método de acuerdo con las reivindicaciones 12 o 13, en donde el relleno de los poros abiertos se lleva a cabo utilizando la solución de modificación que comprende el material de transferencia de carga seleccionado del grupo que se compone de CuSCN, PTTA, CuSCN, poli(3-hexiltiofeno-2,5-diilo) (P3HT), Cu2O, y Cul, PTAA, y PEDOT:PSS, en donde la concentración total del material de transferencia de carga en la solución de modificación varía de 0,1 a 100 mg/ml.
15. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 12 a 14, en donde el relleno de los poros abiertos se lleva a cabo mediante un método seleccionado del grupo que consiste en vertido, recubrimiento por pulverización, impresión por inyección de tinta y recubrimiento con matriz de ranura de la solución de modificación sobre el material de carbono poroso de la capa de electrodo posterior.
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