Celdas de perovskita alcanzan 1,210 horas gracias a ajustes en interfaces moleculares

El rendimiento de las células solares a menudo depende de unas pocas capas atómicas donde se encuentran los materiales, y los investigadores de la HKUST dicen que esas interfaces ahora pueden ofrecer tanto mayor eficiencia como una vida útil mucho más larga para los tándems solares de perovskita.

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En dos estudios publicados en Joule y Nature Communications, el equipo mostró que capas moleculares cuidadosamente diseñadas pueden dirigir la cristalización, reducir defectos, mejorar el transporte de carga y ralentizar la degradación. El profesor Lin Yen-Hung, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Electrónica y de Computación de la HKUST, dijo que el trabajo demuestra que “cada interfaz importa” en los tándems de perovskita modernos.

“Los tándems de celdas solares de perovskita han alcanzado una etapa en la que cada interfaz importa. Estos dos estudios ponen de manifiesto un principio compartido: las interfaces moleculares pueden diseñarse como plataformas activas para controlar la cristalización, reducir la pérdida de energía, facilitar el transporte de carga y mejorar la estabilidad a largo plazo en diferentes arquitecturas tándem.”

Tándems sin PEDOT:PSS alcanzan 29.1%

El artículo de Joule se centró en celdas solares tándem monolíticas de dos terminales, totalmente de perovskita. Los investigadores se enfocaron en una interfaz enterrada en la subcelda de perovskita de banda estrecha con plomo y estaño, donde el material de transporte de huecos comúnmente usado, PEDOT:PSS, puede absorber humedad, interferir con los precursores de perovskita y provocar segregación de fase.

Mediante caracterización in situ, el equipo encontró que PEDOT:PSS induce una vía de cristalización inestable en películas de perovskita mixtas de estaño y plomo. Lo reemplazaron por una monocapa autoensamblada funcionalizada con fenotiazina, 4PAPT, que promovió una transición de fase directa, mejoró la orientación cristalina y redujo las pérdidas por recombinación no radiativa.

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Ese cambio produjo una célula de perovskita de unión simple de banda estrecha con 23.2% de eficiencia. El mismo enfoque, ampliado con una capa interconectante híbrida de monocapas autoensambladas que utiliza grupos ancla tiol y ácido fosfónico en superficies de SnO2/Au, permitió un tándem totalmente de perovskita sin PEDOT:PSS con 29.1% de eficiencia de conversión de potencia. Según el estudio, esa es la mayor eficiencia reportada hasta ahora para configuraciones de tándem totalmente de perovskita sin PEDOT:PSS.

Los dispositivos encapsulados conservaron el 90% de su eficiencia inicial después de más de 800 horas de operación continua a alrededor de 40°C (104°F) bajo iluminación simulada equivalente a un sol y seguimiento del punto de máxima potencia.

“La inestabilidad del PEDOT:PSS no es solo un problema del material en sí; también afecta cómo se forma la película de perovskita en la interfaz enterrada. Al sustituir este polímero por monocapas autoensambladas diseñadas molecularmente, pudimos controlar la cristalización desde el principio y trasladar ese beneficio a dispositivos tándem de alta eficiencia.”

Tándems totalmente inorgánicos sobreviven 1,210 horas a 65°C

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El estudio en Nature Communications siguió una vía distinta: celdas solares tándem de perovskita totalmente inorgánicas de cuatro terminales. Estos materiales resultan atractivos por su estabilidad térmica y fotónica, pero sus superficies siguen siendo vulnerables a la humedad y a pérdidas relacionadas con defectos.

Para abordarlo, los investigadores usaron trifluorometanosulfonato de tetrabutilamonio (TTFS) para construir in situ una heterojunción perovskita 1D/3D autoensamblada en la superficie del absorbente. La parte catiónica forma una barrera hidrófoba contra la humedad, mientras que la parte aniónica actúa como pasivador de defectos superficiales y facilita la extracción de electrones.

El resultado fue una celda superior semitransparente de perovskita totalmente inorgánica con una eficiencia de conversión de potencia certificada del 17.10%. Emparejada con una celda inferior totalmente inorgánica de banda estrecha en una configuración tándem de cuatro terminales, el dispositivo alcanzó una eficiencia certificada del 21.54%, que los investigadores dicen es la mayor eficiencia certificada para este tipo de tándem.

Las cifras de estabilidad son igualmente notables: los dispositivos mantuvieron el 80% de su eficiencia inicial después de 1,210 horas a 65°C (149°F) y 650 horas a 85°C (185°F) bajo condiciones continuas de seguimiento del punto de máxima potencia y una iluminación equivalente a un sol.

El estudio también empleó mapeo de fotoluminiscencia, mapeo del rendimiento cuántico de fotoluminiscencia y mapeo de la separación de los niveles cuasi-Fermi, con contribuciones de Zhang Qingqing y la Dra. Fion Yeung, para mostrar cómo la interfaz diseñada redujo la pérdida de energía y mejoró la dinámica de portadores a lo largo de la película.

“En ambos estudios, nuestro enfoque compartido fue entender qué sucede en la interfaz antes de que las pérdidas se reflejen en el rendimiento del dispositivo. La caracterización óptica y optoelectrónica nos permite conectar el diseño molecular con cómo se mueven y recombinan las cargas y cómo, en última instancia, determinan la eficiencia de la célula solar.”

Los artículos son:

• Fengzhu Li et al, Cristalización mediada por la interfaz permite tándems totalmente de perovskita sin PEDOT:PSS con 29.1% de eficiencia y durabilidad mejorada, Joule (2026). DOI: 10.1016/j.joule.2026.102501
• Hao Zhang et al, Heterojunción 1D/3D autoensamblada permite celdas solares tándem de perovskita totalmente inorgánicas de 4 terminales con 21.54% de eficiencia certificada, Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-72099-z