Se trabaja a nivel mundial para mejorar la eficiencia de las células fotovoltaicas de perovskita, entre las cuales las células solares tándem (TSC) se han convertido en un foco de investigación gracias a su alta eficiencia, baja pérdida de calor y fácil integración. Este artículo analiza sistemáticamente la optimización de las células tándem de perovskita/silicio de doble cara, centrándose en el papel de la estructura IBC y el diseño de la rejilla para mejorar la eficiencia.

Estructura de las células solares y selección de materiales

Diagrama esquemático de la estructura de una célula solar apilada de silicio cristalino/perovskita de doble cara de cuatro terminales bajo reflexión de albedo.

Célula de perovskita superior:

Capa activa: Cs₀.₀₅MA₀.₁₅FA₀.₈Pb(I₀.₈Br₀.₂)₃ (banda prohibida 1,62 eV)

Capa de transporte: combinación SnO2 (ETL)/NiOX (HTL), con compatibilidad de procesos a baja temperatura y alta estabilidad

Electrodo: ITO de doble cara (cátodo de 30 nm/ánodo de 200 nm)

Diseño innovador: La estructura IBC tiene función de rejilla (período Pg = 700 nm, ancho Wg = 350 nm)

Celda de heterojunción de silicio inferior:

Capa de contacto: electrodo de Al de 200 nm (que conecta las regiones n/p respectivamente)

Capa de selección de portadores: aSi tipo n (20 nm, dopado 1,5×1019 cm-3) y aSi tipo p (20 nm, dopado 2×1019 cm-3)

Capa de pasivación: aSi intrínseco (i-aSi) de 5 nm

Capa de absorción: silicio cristalino tipo n de 300 μm (dopado 5×1015 cm-3)

Capa de interfaz: silicio defectuoso de 1 nm (recombinación de interfaz simulada)

Capa de conexión intermedia:

Capa de acoplamiento óptico: SiO₂ de 150 nm (coincidencia de índice de refracción)

Capa de aislamiento eléctrico: SiO₂ de 50 nm (intensidad de campo de ruptura > 10 MV/cm)

Parámetros característicos fotoeléctricos de cada capa del celúla

Diagrama esquemático de la estructura de la banda de energía de la celda solar diseñada (a) celda superior y (b) celda inferior

Método de simulación y configuración de parámetros

Simulación óptica: Las características de absorción en el rango de longitud de onda de 300–Los 1200 nm se calculan utilizando el método de dominio de tiempo de diferencia finita (FDTD).

Transporte y recombinación de portadores: simulados mediante la ecuación de difusión-deriva, los parámetros clave incluyen:

Recombinación asistida por trampa: La vida útil del portador de la capa de perovskita τₙ=τₚ=40 ns (calculado en base a Nₜ=1×1015cm-3 y σₙₚ=2.5×10-15 cm2).

Recombinación Auger: Perovskita Cₙ=Cₚ=4.4×10-29 cm6/s.

Recombinación radiativa: Perovskita Cᵣ=5,3×10-11 cm3/s.

Simulación de reflexión del albedo: considerando diferentes tipos de suelo (asfalto, hormigón, nieve, etc.), la intensidad del espectro AM1.5G se ajusta mediante un coeficiente de 0,1–0.8.

Optimización de la capa antirreflejo (ARC) de la celda superior

Espectro de transmisión de la capa de perovskita en el punto de espesor óptimo

El ARC de doble capa (LiF/TiO2) tiene una transmitancia más alta en el rango de 350–Banda de 800 nm (96% frente a 93%).

Espesor óptimo: LiF (100 nm)/TiO2 (22 nm).

Diseño de rejilla de contacto posterior de celda superior

Relación entre la densidad de fotocorriente (Jph) y el período de contacto posterior de la rejilla de la celda superior (Pg) y la relación ancho-período (Wg/Pg)

Mapeo de colores de (a) densidad de corriente de cortocircuito (Jsc), (b) eficiencia de conversión fotoeléctrica (PCE), (c) voltaje de circuito abierto (Voc) y (d) factor de llenado (FF) de la celda superior como una función del período de rejilla de contacto posterior (Pg) y la relación ancho-período (Wg/Pg)

Parámetros óptimos: Cuando Pg=0,4 μm y Wg/Pg=0,4, la fotocorriente de la celda superior (Jph) alcanza 20,3 mA/cm².

Coincidencia de cuasiconstancia: cuando Pg = 0,7 μm y Wg/Pg=0,5, la celda superior/inferior Jph está cerca (19,45/19,91 mA/cm²).

Análisis del rendimiento de las celdas superiores

(a) Curva característica de densidad de corriente-voltaje (JV) del grupo de parámetros (Pg, Wg/Pg);

(b) Diagrama de Nyquist de espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS)

Espectros de absorción y espectros de eficiencia cuántica externa (EQE) bajo diferentes combinaciones de parámetros de rejilla (Pg, Wg/Pg); (d) pérdidas de densidad de fotocorriente por reflexión y absorción parásita de los grupos de parámetros correspondientes

Estructura óptima (Pg=0,7 μm, Wg/Pg=0,5):

Alta resistencia compuesta (Rrec=1,92 MΩ), baja resistencia en serie (Rs=12,95 Ω).

Voltaje de circuito abierto más alto (Voc=1,196 V), PCE hasta 19,3%.

Mala estructura (Pg=0,2 μm, Wg/Pg=0,6): PCE sólo 6,23%, FF tan bajo como 45%.

Optimización de la capa antirreflejo (ARC) de la celda inferior

(a) Doble capa (SiO₂/TiO₂) estructura;

(b) Espectro de reflexión correspondiente a la superficie de la capa de silicio

Curva de la influencia del SRV sobre los parámetros eléctricos

El espesor óptimo del ARC de doble capa (SiO2/TiO2) es SiO2=92 nm, TiO2=52 nm y la tasa de transmisión de luz aumenta al 94%.

Efecto: el PCE se incrementa al 10,81% y el Jsc se incrementa en un 9%.

Diseño de rejilla de contacto posterior de celda inferior

Mapeo de colores del factor de relleno (FF) con el ancho de silicio amorfo de tipo n (nw) y el ancho de espacio (Gw)

Parámetros óptimos: nw=400 μm (20% del período), Gw=1280 μm (80%).

Efecto: PCE alcanza el 9,94% (Jsc=16,55 mA/cm², Voc=0,734 V).

Comparación: demasiado grande nw (1600 μm) reducirá la extracción de pozos y el PCE es solo del 7,14%.

Análisis del rendimiento de la celda inferior

Gráfico de barras de comparación de PCE a diferentes reflectividades

(a) Curva característica de densidad de corriente-voltaje (JV) en diferentes condiciones de reflexión del albedo, (b) Comparación de las curvas características de JV en condiciones de albedo promedio y sin albedo

Entorno de alta reflexión (como 80% de nieve): el PCE alcanza el 16,59%, un 53% más alto que el asfalto (10% de reflexión).

Arena oscura típica (30% de reflexión): Jsc y PCE aumentan en un 43% y un 46% respectivamente en comparación con ninguna reflexión.

Mejor rendimiento

Celda superior: La mejor combinación de ARC de doble capa + rejilla (Pg=0,7) μm, Wg/Pg=0,5), teniendo en cuenta la alta transmitancia de luz y la baja reflexión (3,5 mA/cm² pérdida) y una recaudación de cargos eficiente.

Celda inferior: mediante la optimización de la geometría IBC (maximización de Gw) y ARC de doble capa, el PCE puede alcanzar el 16,59 % en entornos altamente reflectantes como la nieve.

Eficiencia total: después de combinarse con la celda superior, la eficiencia total supera el 30%, que es uno de los niveles más altos de celdas apiladas con estructura plana.