Si bien la eficiencia de conversión de energía de las células solares de perovskita PVSC, un futuro de las células solares, ya ha mejorado enormemente en la última década, los problemas de inestabilidad y el impacto ambiental potencial aún no se han superado. Recientemente, científicos deLa City University of Hong Kong CityU ha desarrollado un método novedoso que puede abordar simultáneamente la fuga de plomo de los PVSC y el problema de estabilidad sin comprometer la eficiencia, allanando el camino para la aplicación en la vida real de la tecnología fotovoltaica de perovskita.
El equipo de investigación está codirigido por el profesor Alex Jen Kwan-yue, director y catedrático de química y ciencia de los materiales de CityU, junto con el profesor Xu Zhengtao y el Dr. Zhu Zonglong del Departamento de Química. Los resultados de su investigación se publicaron recientemente enla revista científica Nanotecnología de la naturaleza , titulado " Marco organometálico 2D para células solares de perovskita estables con fugas de plomo minimizadas . "
Actualmente, la mayor eficiencia de conversión de energía de los PVSC ha estado a la par con las células solares de silicio de última generación. Sin embargo, las perovskitas utilizadas contienen un componente de plomo que plantea la preocupación de una posible contaminación ambiental ".las células solares envejecen, las especies de plomo pueden filtrarse a través de los dispositivos, por ejemplo, a través del agua de lluvia al suelo, lo que representa una amenaza de toxicidad para el medio ambiente ", explicó el profesor Jen, experto en PVSC." Para poner PVSC en usos comerciales a gran escala,no solo requiere una alta eficiencia de conversión de energía, sino también una estabilidad a largo plazo del dispositivo y un impacto ambiental minimizado ".
En colaboración con el profesor Xu, cuya experiencia es la síntesis de materiales, el profesor Jen y el Dr. Zhu llevaron al equipo a superar los desafíos anteriores mediante la aplicación de marcos metalorgánicos MOF bidimensionales 2D a PVSC. "Somos el primer equipo enfabrique dispositivos PVSC con fugas de plomo minimizadas, buena estabilidad a largo plazo y alta eficiencia de conversión de energía simultáneamente ", resumió el profesor Jen su avance en la investigación.
capa MOF multifuncional
Los materiales de estructura metal-orgánica MOF se han aplicado previamente como andamios para moldear el crecimiento de perovskitas. Los científicos también los han utilizado como aditivos o modificadores de superficie para pasivar para reducir la reactividad de la superficie del material los defectos de las perovskitas paramejorar el rendimiento y la estabilidad del dispositivo.
Sin embargo, la mayoría de los MOF 3D son bastante aislantes eléctricos con baja movilidad del portador de carga, por lo que no son adecuados para usarse como materiales de transporte de carga.
Pero los MOF preparados por el profesor Xu son diferentes. Son una estructura bidimensional en forma de panal de abejas equipada con numerosos grupos tiol como una funcionalidad clave. Poseen niveles de energía adecuados, lo que les permite ser una capa de extracción de electrones también llamada "electrón-capa de recolección " donde los electrones finalmente son recolectados por el electrodo de los PVSC." Nuestros MOF de ingeniería molecular poseen la propiedad de un semiconductor multifuncional y pueden usarse para mejorar la eficiencia de extracción de carga ", explicó el profesor Xu.
Atrapando los iones de plomo para evitar la contaminación
Más importante aún, las matrices densas de grupos tiol y disulfuro en los MOF pueden "capturar" iones de metales pesados en la interfaz de perovskita-electrodo para mitigar la fuga de plomo.
"Nuestros experimentos demostraron que el MOF utilizado como capa exterior del dispositivo PVSC capturó más del 80% de los iones de plomo filtrados de la perovskita degradada y formó complejos insolubles en agua que no contaminarían el suelo", explicó el profesor Jen.Los métodos de encapsulación física utilizados para reducir las fugas de plomo en otros estudios, se descubrió que esta sorción química in situ de plomo por el componente MOF integrado en el dispositivo es más eficaz y sostenible para aplicaciones prácticas a largo plazo.
estabilidad operativa a largo plazo lograda
Además, este material MOF podría proteger a las perovskitas contra la humedad y el oxígeno mientras mantiene una alta eficiencia.
La eficiencia de conversión de energía de su dispositivo PVSC modificado con MOF podría alcanzar el 22.02% con un factor de llenado de 81.28% y voltaje de circuito abierto de 1.20 V. Tanto la eficiencia de conversión como el voltaje de circuito abierto registrados se encuentran entre los valores más altos reportadospara los PVSC planos invertidos. Al mismo tiempo, el dispositivo exhibió una estabilidad superior en un ambiente con una humedad relativa del 75%, manteniendo el 90% de su eficiencia inicial después de 1100 horas. En contraste, la eficiencia de conversión de energía del PVSC sinMOF se redujo significativamente a menos del 50% de su valor original.
Además, su dispositivo retuvo el 92% de su eficiencia inicial bajo irradiación de luz continua durante 1,000 horas a 85 ° C. "Tal nivel de estabilidad ya ha cumplido con el estándar de comercialización establecido por la Comisión Electrotécnica Internacional IEC", dijo el Dr.Zhu.
"Este es un resultado muy significativo que demostró que nuestro método MOF es técnicamente factible y tiene el potencial para comercializar la tecnología PVSC", agregó el profesor Jen.
PVSC de alta eficiencia para aplicaciones de energía limpia
El equipo tardó casi dos años en realizar esta prometedora investigación. El siguiente paso será mejorar aún más la eficiencia de conversión de energía y explorar formas de reducir el costo de producción.
"Esperamos que en el futuro la fabricación de este tipo de PVSC sea como 'imprimir' periódicos y escalar fácilmente la producción, facilitando el despliegue a gran escala de PVSC altamente eficientes para aplicaciones de energía limpia", concluyó el profesor Jen.
El profesor Jen, el profesor Xu y el Dr. Zhu son los autores correspondientes del artículo. El primer autor del artículo es el estudiante de doctorado de CityU Wu Shengfan. Otros miembros del equipo de investigación de CityU son Li Zhen, Li Mu-Qing, Diao Yingxue, Francis Lin, Liu Tiantian, Zhang Jie y Qi Feng. La colaboración también involucra a otros investigadores de la Universidad Xi'an Jiaotong, la Universidad de Washington y la Universidad de California-Irvine.
El estudio recibió varios apoyos financieros, incluidos CityU, Hong Kong Research Grants Council, Guangdong Major Project of Basic and Applied Basic Research y la National Science Foundation.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de la ciudad de Hong Kong . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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