Capas moleculares empujan tándems de perovskita hasta 29.1%

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Capas moleculares en las interfaces ayudaron a que dos diseños de células solares tándem de perovskita combinaran alta eficiencia con mejor resistencia al calor, la luz y la humedad, según investigadores de The Hong Kong University of Science and Technology (HKUST).

Los estudios, publicados en Joule y Nature Communications, se centran en distintas arquitecturas de tándem pero comparten la misma estrategia: diseñar las interfaces para controlar la cristalización de la perovskita, reducir defectos, mejorar el transporte de carga y ralentizar la degradación.

“Las células solares tándem de perovskita han alcanzado una etapa en la que cada interfaz importa. Estos dos estudios resaltan un principio común: 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 distintas arquitecturas de tándem.”

Células tándem sin PEDOT:PSS alcanzan 29.1% de eficiencia

El artículo de Joule se centra en células solares tándem monolíticas de tipo de dos terminales totalmente perovskita, que apilan dos absorbentes de perovskita con brechas de banda complementarias en una única estructura.

Un problema clave es la interfaz enterrada del subcelda de perovskita con brecha de banda estrecha de estaño-plomo. Los dispositivos de alto rendimiento comúnmente usan PEDOT:PSS como material de transporte de huecos, pero el polímero puede absorber humedad, reaccionar desfavorablemente con precursores de perovskita y favorecer la segregación de fases durante la cristalización.

Mediante caracterización in situ, el equipo encontró que PEDOT:PSS desencadena una vía de cristalización inestable en películas de perovskita mixtas de estaño y plomo. Sustituyeron el polímero por una monocapa autoensamblada funcionalizada con fenotiazina llamada 4PAPT. La capa molecular promovió una transición de fase directa, mejoró la orientación cristalina y suprimió las pérdidas por recombinación no radiativa.

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Ese enfoque produjo una célula perovskita de unión simple y brecha de banda estrecha con 23.2% de eficiencia. Los investigadores desarrollaron posteriormente una capa interconectora híbrida de monocapa autoensamblada que combina grupos ancla tiol y ácido fosfónico sobre superficies de SnO2/Au.

El tándem totalmente perovskita sin PEDOT:PSS resultante alcanzó una eficiencia de conversión de energía reportada del 29.1%, descrita como la mayor eficiencia reportada hasta la fecha para configuraciones de tándem totalmente perovskita sin PEDOT:PSS. Los dispositivos encapsulados conservaron el 90% de su eficiencia inicial tras más de 800 horas a alrededor de 40°C (104°F) bajo iluminación simulada de 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 reemplazar este polímero por monocapas autoensambladas diseñadas molecularmente, pudimos controlar la cristalización desde el inicio y mantener ese beneficio en dispositivos tándem de alta eficiencia.”

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Tándems totalmente inorgánicos resisten pruebas de calor prolongadas

El estudio de Nature Communications examinó células solares tándem de perovskita totalmente inorgánicas de cuatro terminales. Aunque las perovskitas totalmente inorgánicas pueden ofrecer estabilidad térmica y a la fotón, sus superficies siguen siendo vulnerables a la humedad y a pérdidas de energía relacionadas con defectos.

El equipo usó trifluorometanosulfonato de tetrabutilamonio (TTFS) para formar una heterounión perovskita 1D/3D autoensamblada en la superficie del absorbente. Su componente catiónico creó una barrera hidrofóbica, mientras que su componente aniónico pasivó defectos superficiales y facilitó la extracción de electrones.

La célula superior semitransparente de perovskita totalmente inorgánica y de brecha de banda ancha resultante alcanzó una eficiencia de conversión de energía certificada del 17.10%. Combinada con una célula inferior de perovskita totalmente inorgánica y de brecha de banda estrecha en un tándem de cuatro terminales, alcanzó una eficiencia certificada del 21.54%, la eficiencia certificada más alta reportada para este tipo de célula solar tándem.

Los dispositivos conservaron el 80% de su eficiencia inicial tras 1.210 horas a 65°C (149°F) y tras 650 horas a 85°C (185°F) bajo seguimiento continuo del punto de máxima potencia con iluminación de un sol.

El mapeo de fotoluminiscencia, el mapeo del rendimiento cuántico de fotoluminiscencia y el mapeo de la separación de niveles quasi-Fermi ayudaron a los investigadores a conectar la estructura de la interfaz con la pérdida de energía y el movimiento de portadores.

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

“Mediante mapeo óptico espacial pudimos visualizar cómo la interfaz 1D/3D diseñada reduce las pérdidas de energía a lo largo de la película. Esto proporcionó evidencia importante de que el diseño de interfaces moleculares puede mejorar tanto el rendimiento como la estabilidad de las células solares de perovskita totalmente inorgánicas.”

Detalles de la publicación: Fengzhu Li et al., “La cristalización mediada por la interfaz permite tándems totalmente perovskita sin PEDOT:PSS con 29.1% de eficiencia y mayor durabilidad,” Joule (2026), DOI: 10.1016/j.joule.2026.102501. Hao Zhang et al., “Heterounión 1D/3D autoensamblada permite células solares tándem de perovskita totalmente inorgánica de 4 terminales con 21.54% de eficiencia certificada,” Nature Communications (2026), DOI: 10.1038/s41467-026-72099-z.