Fabricación de celdas híbridas con arquitectura planar basadas en compuestos metal-orgánicos con estructura perovskita (2018)
En el presente trabajo se hicieron aportes a la síntesis y estudio de propiedades ópticas, eléctricas, morfológicas y estructurales de películas delgadas de compuestos híbridos metal-orgánicos con estructura perovskita, las cuales fueron usadas como capa activa en la fabricación de celdas solares. En primera instancia se diseñó, construyó e implementó un nuevo equipo para el crecimiento de películas delgadas por el método de evaporación física de las sales precursoras en ambiente de alto vacío (del orden de 10-5 mbar), todo el proceso de síntesis es monitoreado automáticamente gracias a un sistema basado en Instrumentación virtual (VI), que permite hacer un control electrónico de la temperatura de las fuentes de evaporación de los precursores, así como también de la tasa de deposición del material sobre el sustrato usando algoritmos PID y PWM desarrollados con el software LabView. En segundo lugar, con el reactor en funcionamiento y operando adecuadamente, se realizó un exhaustivo estudio del efecto que los distintos parámetros de síntesis (composición química, temperatura de sustrato, temperatura y tiempo de recocido) causan sobre las propiedades estructurales, morfológicas, ópticas y eléctricas del material. Las variaciones en la composición química están asociadas con la fórmula característica de la perovskita: ABX3, donde A es el catión orgánico de metilamonio (MA) o formamidinio (FA), B es el catión metálico de plomo (Pb), y X3 es el anión haluro de yodo (I3) o una sustitución de átomos de yodo por átomos de bromo (I2Br). Para las diferentes composiciones analizadas, se emplearon los precursores: yoduro de metilamonio (CH3NH3I), yoduro de formamidinio ((NH2)2CHI), bromuro de metilamonio (CH3NH3Br) y yoduro de plomo (PbI2). La variación en la temperatura de sustrato se logra mediante un sistema de calentamiento y control de temperatura instalado en el porta-sustrato. El proceso de recocido se realiza posterior a la deposición y en una atmósfera de nitrógeno. Usando la técnica de difracción de rayos X (XRD) se obtuvo información relacionada con la fase, estructura cristalina, tensión (micro-estructura) y tamaño de cristalito de las muestras analizadas. Además se emplearon otras técnicas de caracterización tales como: medidas de transmitancia espectral, microscopía electrónica de barrido (SEM), fotoconductividad transiente, corriente estimulada térmicamente y espectroscopia de impedancia. Con base a los resultados obtenidos, se encontró que el equipo implementado y la ruta de síntesis basada en evaporación de precursores, permite crecer películas delgadas de CH3NH3PbI3 (MAPI), (NH2)2CHPbI3 (FAPI) y CH3NH3PbI2Br (MAPbI2Br) con un alto grado de reproducibilidad y con propiedades adecuadas para ser usadas como capa activa en celdas solares híbridas. Habiendo determinado las condiciones óptimas de síntesis de la capa activa fue posible dar cumplimiento al objetivo general del presente trabajo, que tenía como meta fabricar celdas solares de arquitectura planar empleando compuestos híbridos con estructura tipo perovskita, siendo el primer grupo de investigación en Colombia que ha fabricado con éxito celdas solares basadas en perovskitas. Los mejores resultados se obtuvieron con la celda de arquitectura: FTO/ZnO/MAPI/P3HT/Au, la cual presentó los siguientes parámetros de desempeño: Jsc=6.6 mA/cm2, Voc=1.2 V, FF=0.48 y η=7.5%, donde Jsc es la corriente de corto circuito, Voc el voltaje de circuito abierto, FF el factor de llenado y η la eficiencia de la celda.