Estudio de la estabilización química de perovskitas para su potencial aplicación en celdas fotovoltaicas en condiciones ambientales

Abstract

La eficiencia, el costo y la estabilidad son las tres características más importantes que un dispositivo fotovoltaico debe cumplir para poder considerarse como posible producto comercial. En los últimos años un nuevo tipo de celdas ha captado el interés de la comunidad científica, cuyo componente principal es una perovskita híbrida orgánica-inorgánica. Los dispositivos estudiados han logrado eficiencias hasta de 20%, empleando métodos de depósito sencillos. Estos grandes avances se han logrado con el empleo de la perovskita CH3NH3PbI3 como material absorbedor de radiación, sin embargo, debido a su naturaleza, estas celdas carecen de una estabilidad confiable. En este trabajo se emplea la técnica de blow-drying como un método alterno para obtener películas delgadas de CH3NH3PbI3 a partir de soluciones con diferente concentración, empleando aire caliente (25% humedad relativa, 90 °C) como gas de arrastre y condiciones de humedad controlada durante la formación de los depósitos. Mediante FTIR se verificó la química superficial de los depósitos, los cuales mostraron cierta hidratación cuando se empleó aire a 25 °C, misma que fue eliminada al emplear aire caliente. Además, los depósitos obtenidos por esta técnica consistieron en estructuras entrecruzadas conformadas por pequeños gránulos, de acuerdo con lo observado mediante MEB. La cobertura de los sustratos estuvo influenciada por la concentración de las soluciones empleadas para obtener los depósitos, obteniendo un mejor recubrimiento al emplear una solución de concentración 0.434 M. Por otro lado, se estudió la estabilidad de los depósitos obtenidos al ser expuestos a ambientes con humedades de 25%. En esta prueba destacó la estabilidad de los depósitos obtenidos empleando una solución 0.434 M, cuya resistencia a la degradación se extendió a más de 12 días en ambientes con 25% de humedad.

Stability is still a property that limits the commercialization of perovskite solar cells. Thus, with the development of continuous deposition methods, it is essential to determine their feasibility in terms of stability and the efficiency of the devices produced. In this work, a hot air blow-drying (HABD) method is proposed as an alternative for the deposition of CH3NH3PbI3 (MAPbI) perovskite thin-films. The ability of HABD to produce homogeneous and stable thin-films was systematically studied and compared with those produced with air at standard conditions (25 °C, 25% relative humidity). The MAPbI thin-films were characterized by infrared spectroscopy and X-ray diffraction revealing that air temperature rules the film hydration. Partial degradation after using air at standard conditions was observed in contrast with the stable and pure perovskite phase obtained when using air heated at 90 C°. The influence of solution concentration on the surface coverage was determined by scanning electron and atomic force microscopies. It was found that 4 μL of precursors solution (0.434 M) produced a homogeneous MAPbI thin-film with ~180 nm thickness and smooth surface (Rq ~ 29 nm) covering a 6.25 cm2 area. Moreover, the outstanding optical and electrical properties of MAPbI were not affected by the deposition procedure. Remarkably, degradation tests demonstrate that our HABD method is capable of producing stable MAPbI thin-films with excellent resistance to degradation at ambient conditions (up to 15 days), which makes it a promising low-cost and easy to use method for the continuous fabrication of perovskite solar cells.