Estrategias para incrementar la fotocorriente de celdas solares de perovskita con contactos posteriores de carbono investigadas mediante modelado numérico

Abstract

El objetivo de este trabajo es hallar estrategias para incrementar la fotocorriente de celdas de perovskita con contacto posterior de carbono mediante nanopartículas esféricas. Esta necesidad surge porque el carbono extiende la vida útil de la perovskita, pero no es un buen material para reflejar la radiación electromagnética y por ende afecta a la fotocorriente generada. Para analizar las estrategias, se llevaron a cabo simulaciones con el software COMSOL Multiphysics. En primera instancia se definió una estructura típica de una celda plana de perovskita con espesores típicos/óptimos para cada capa. Luego, se realizaron simulaciones en 2D de la celda plana con contacto posterior de grafito, de oro y de plata para demostrar el efecto del uso del contacto de grafito en la fotocorriente de la celda. En segundo lugar, se realizaron simulaciones en 3D de las tres estrategias elegidas para incrementar el camino óptico de la radiación. Estas son disposiciones periódicas tipo red de: nanopartículas de aluminio en la parte posterior de la perovskita, nanopartículas de MgF2 en la parte frontal de la perovskita y nanopartículas estilo núcleo-caparazón en la parte posterior de la perovskita. Para la estrategia de núcleo-caparazón se simularon nanopartículas de Au@Ag y Ag@TiO2 con distintos radios de núcleo y caparazón. Por motivos de construcción, cómputo y fotocorriente obtenida, se seleccionaron nanopartículas de Ag@TiO2 con un espesor de caparazón de 5 nm y se simularon diferentes periodicidades de la red y radios de la corteza. Todas las fotocorrientes obtenidas de las estrategias se compararon porcentualmente con la obtenida en la celda plana con contacto de grafito, y se concluyó que la estrategia de nanopartículas de Ag@TiO2 brinda el mayor aumento de la fotocorriente, siendo de hasta 16% para un espesor de 200 nm, 6% para un espesor de 400 nm y 3% para un espesor de 700 nm.

The aim of this work is to find strategies to increase the photocurrent of perovskite cells with carbon back contacts with spherical nanoparticles. This need arises because, although carbon prolongs the lifetime of the perovskite used, it is not a good material for reflecting electromagnetic radiation and therefore affects the photocurrent generated. To analyze the strategies, simulations were carried out with COMSOL Multiphysics software. Initially, a feasible structure for a flat perovskite cell with typical/optimal thicknesses for each layer was defined. Once the model was proposed and the materials were selected, 2D simulations of the flat cell with back contacts made of graphite, gold and silver, were carried out to demonstrate the effect of using the graphite contact on the cell photocurrent. Secondly, 3D simulations of the three strategies chosen to increase the optical path of radiation were carried out. These are periodic grid-like arrangements of: aluminum nanoparticles on the back of the perovskite, MgF2 nanoparticles on the front of the perovskite, and core-shell style nanoparticles on the back of the perovskite. For the core-shell strategy, Au@Ag and Ag@TiO2 nanoparticles with different core-shell radiuses were simulated. Due to construction, computational and measured photocurrent reasons, Ag@TiO2 nanoparticles with a 5 nm shell thickness were selected and different grid periodicities and shell radiuses were simulated. All photocurrents obtained from the strategies were compared percentage-wise with the ones measured in the planar cell with graphite contact, and it is concluded that the Ag@TiO2 nanoparticle strategy provides the greatest increase in photocurrent, being up to 16% for a thickness of 200 nm, 6% for a thickness of 400 nm and 3% for a thickness of 700 nm.