Desarrollo de sistemas de caracterización de celdas solares y films de perovskita por métodos de imágenes de electroluminiscencia y red fotogenerada de estado estacionario

Abstract

Las celdas solares de perovskita CSP presentan un importante potencial para la generación fotovoltaica a través dispositivos de lámina delgada. A pesar de que algunos tipos de CSP han exhibido eficiencias cercanas al silicio, la tecnología aún se encuentra en una etapa previa a su inserción industrial debido a su falta de estabilidad a largo plazo y al comportamiento optoelectrónico asociado a la migración iónica. Si bien la degradación sufrida por factores externos se minimiza mediante un cuidadoso proceso de encapsulamiento, es necesario avanzar en el entendimiento de los efectos generados fundamentalmente por el movimiento de vacancias iónicas dentro de la perovskita. El objetivo de esta tesis es desarrollar sistemas de medición y realizar la caracterización de films y CSP utilizando principalmente las técnicas de red fotogenerada de estado estacionario SSPG (por las siglas en inglés de steady state photocarrier grating) y electroluminiscencia EL. Para ello, se empleó una combinación de caracterización experimental y simulación numérica por elementos finitos con el fin de comprender la importancia de la presencia iónica (iones y vacancias iónicas) dentro de la perovskita, y ampliar el conocimiento de fenómenos tanto físicos como constructivos que intervienen en el comportamiento de las CSP. Sobre films fabricados con perovskita FACsPb(BrI)3 se aplicó, a través de la metodología de Balberg, la técnica de SSPG mediante la cual se obtuvieron longitudes de difusión ambipolar superiores a los 1000 nm. El resultado de la caracterización exhibió longitudes de difusión aproximadamente un orden de magnitud mayor al espesor de la capa de FACsPb(BrI)3 implementada en las celdas solares, característica que permite suponer en las interfaces de la celda la ubicación del mecanismo de recombinación dominante. En la caracterización de celdas, la influencia iónica se estudió aplicando la técnica de EL en función del tiempo en CSP CH3NH3PbI3 (MAPI) y FACsPb(BrI)3 (perovskita doble catión) preparadas en solución, empleando diferentes tensiones de polarización y temperaturas Los perfiles de intensidad de EL adquiridos en dispositivos de perovskita MAPI mostraron un comportamiento no monótono, registrándose un crecimiento inicial de la intensidad hasta un máximo en el intervalo de 1 s a 10 s, seguido por un decaimiento desde el máximo hasta el estado estacionario, en tiempos de entre 30s y 60 s. Las mediciones de EL en función de la temperatura realizadas en CSP de MAPI también exhibieron un comportamiento no monótono, donde se observaron máximos de intensidad de EL y de velocidad para una temperatura de aproximadamente 30 °C, valor cercano al reportado para el cambio de fase de tetragonal a cúbico en la estructura cristalina del MAPI. A diferencia de las celdas MAPI, las mediciones correspondientes a celdas FACsPb(BrI)3 resultaron en transitorios monótonamente crecientes alcanzando la saturación en tiempos de aproximadamente 2500 s. En celdas con ambos materiales, el aumento en el valor de la tensión de polarización aceleró los transitorios de EL, resultado que sugiere una dependencia de la velocidad de los mecanismos microscópicos con el campo eléctrico aplicado. El posible origen del comportamiento observado en la dinámica de los perfiles de EL se analizó haciendo foco en el efecto del movimiento iónico dentro de la perovskita sobre el transporte de cargas, y en el rol de las interfaces como mecanismo de recombinación dominante durante la polarización. Tanto para celdas MAPI como doble catión, se observó una correlación entre la tensión de vacío VOC con el valor de electroluminiscencia de estado estacionario. Este resultado permitió vincular a la electroluminiscencia con las características de la celda solar como generador de energía. Complementariamente con los métodos experimentales, se llevó a cabo la simulación numérica de una CSP doble catión utilizando un modelo de arrastre y difusión para portadores libres, e incorporando iones inmóviles y vacancias iónicas móviles. Las simulaciones se utilizaron para determinar un conjunto de variables que permitan explicar las mediciones de intensidad de EL y de corriente inyectada en función del tiempo. De acuerdo con los resultados obtenidos, el comportamiento dinámico observado en los experimentos puede provenir de un efecto conjunto entre el movimiento de vacancias iónicas dentro de la perovskita debido al campo eléctrico aplicado y la recombinación superficial generada por las interfaces entre la perovskita y las capas de transporte de cargas.