Las células solares tándem de perovskita de cuatro terminales (4T) presentan importantes ventajas en eficiencia al optimizar las subceldas de forma independiente y superar las limitaciones de adaptación de corriente. Su diseño modular facilita la selección y preparación flexible de materiales, lo que las convierte en una herramienta clave para superar el límite de eficiencia de los dispositivos de unión simple. Este artículo se centra en la estructura central y las múltiples configuraciones de las células tándem de cuatro terminales (como PVK/Si, PVK/CIGS, etc.) y analiza sus estrategias de mejora del rendimiento y sus desafíos mediante datos clave proporcionados por el comprobador de eficiencia cuántica Meineng QE.

Las principales ventajas estructurales del laminado de cuatro terminales células solares

Diagrama esquemático de la estructura de la perovskita y de la célula apilada de cuatro terminales.

(a) Estructura de nip; (b) Estructura de pin; (c) Arquitectura de dispositivo de celda apilada de cuatro terminales; (d) Evolución de la eficiencia; (e) Límite teórico de eficiencia

En la estructura de cuatro terminales, la celda superior de perovskita de banda prohibida ancha (WBG) y la celda inferior de banda prohibida estrecha (NBG) están aisladas eléctricamente mediante apilamiento mecánico. La celda superior adopta una estructura de nip o pin, y la celda inferior puede ser de silicio, CIGS, material orgánico o perovskita. Las principales ventajas incluyen:

Optimización independiente: las subceldas pueden seleccionar los mejores materiales y procesos respectivamente (por ejemplo, las celdas superiores con tratamiento de alta temperatura y las celdas inferiores con tratamiento de baja temperatura son compatibles).

Desajuste de corriente: no se requiere coincidencia de corriente, lo que amplía el rango de selección de combinación de amplio espacio (como el límite superior de eficiencia teórica de PVK/Si del 46%).

Alta estabilidad: las subceldas funcionan independientemente, el daño local no afecta la función general y reduce el riesgo de falla del sistema.

Gestión óptica: La celda superior debe tener una alta transmitancia de luz (por ejemplo, el tratamiento con DMSA reduce la rugosidad de la superficie a 10,5 nm y la transmitancia del infrarrojo cercano alcanza el 83,94 %) para garantizar que la celda inferior absorba la luz de manera eficaz.

Celda apilada de PVK/Si

Rendimiento y estabilidad de celdas tándem de perovskita/silicio de cuatro terminales

(a) Diagrama estructural; (b) Imagen SEM de sección transversal; (c) Curva JV de subcelda; (d) Espectros EQE de celda superior e inferior; (e) 1 cm² Imagen real de la celda superior; (f) Vistas superior e inferior del dispositivo empaquetado; (g) Estabilidad de la eficiencia

El apilamiento PVK/Si combina la alta estabilidad del silicio (la cuota de mercado supera el 90%) con la utilización espectral eficiente de las perovskitas.

Avance en eficiencia: Combinado con la heterojunción de silicio (SHJ), TOPCon y otras tecnologías, la eficiencia del PVK/Si de cuatro terminales supera el 30 %. Por ejemplo:

Ingeniería de interfaz: Los estudios han demostrado que al tratar la superficie de ITO con ácido fluorhídrico/ozono ultravioleta y optimizar la adsorción de monocapas autoensambladas (SAM), la eficiencia de la celda superior alcanzó el 22,9% y la eficiencia de apilamiento alcanzó el 30,3%.

Mejora de la estabilidad: Con la introducción de perovskita CsFAMA dopada con rubidio, el dispositivo no empaquetado mantuvo el 98% de la eficiencia inicial después de 42 días de ciclos de día y noche.

Optimización óptica: utilice electrodos infrarrojos de alta transmitancia como AZO e IZRO (la transmitancia de IZRO es un 10 % mayor que la de ITO) e introduzca vidrio texturizado de pirámide invertida para reducir las pérdidas por reflexión.

Celdas apilables PVK/CIGS

Rendimiento de la celda tándem de perovskita/CIGS de cuatro terminales

(a) Estructura en capas; (b) Curva JV de celda superior de perovskita semitransparente; (c) Espectros EQE de celda superior y celda inferior CIGS filtrada; (d) Predicción de simulación de banda prohibida de perovskita en la eficiencia del tándem.

CIGS (banda prohibida ~1,0 eV), como celda inferior, forma un complemento espectral ideal para la perovskita de banda prohibida ancha.

Récord de eficiencia: La eficiencia alcanzó el 23,9 % al combinar la perovskita de cuatro cationes (CsRbFAMA) con la celda inferior CIGS. Los principales avances incluyen:

Innovación en electrodos: desarrollo de electrodos multicapa (dieléctrico/metal/dieléctrico) para mejorar la transmitancia y la conductividad de la luz.

Compatibilidad de materiales: Eliminación del MoOₓ Capa amortiguadora para evitar daños por pulverización catódica, la eficiencia de la celda superior es del 19,5% y la eficiencia del tándem es del 26,2%.

Desafíos: La respuesta infrarroja de la celda inferior del CIGS está limitada por la absorción parásita del TCO (como una tasa de absorción de AZO > 3 %), y es necesario optimizar el diseño del electrodo.

Célula tándem PVK/orgánica

Rendimiento de CsPbI₂.₂₅Br₀.₇₅ Películas delgadas preparadas mediante recubrimiento por gotas

(a) Imagen SEM de una superficie uniforme; (b) Curvas JV de dispositivos de recubrimiento por goteo y recubrimiento por centrifugación; (c) Transmitancia de celdas semitransparentes; (d) Curva JV de celdas orgánicas inferiores después del filtrado; (f) Efecto del filtrado de luz en la vida de las celdas orgánicas.

Las propiedades livianas y flexibles de las células solares orgánicas (OSC) combinadas con perovskitas son adecuadas para dispositivos automotrices y portátiles.

Potencial de eficiencia: La eficiencia alcanza el 22,34% combinando el CsPbI₂.₂Br₀.₂₅ Celda superior con celda inferior orgánica PM6:Y6. Características destacadas:

Protección UV: La celda superior de perovskita actúa como un filtro UV para extender la vida de la celda orgánica (la eficiencia se mantiene en 86% después de 120 horas de iluminación).

Innovación de proceso: el método de recubrimiento por gotas mejora la uniformidad de la película de perovskita y reduce la densidad de defectos.

Limitaciones: Los materiales orgánicos tienen poca estabilidad y es necesario desarrollar electrodos resistentes a la oxidación y altamente transparentes (como nanocables de plata/PEDOT: PSS).

Células apiladas de perovskita (PVK/PVK)

Rendimiento de una célula tándem de cuatro terminales hecha totalmente de perovskita

(a) Estructura de la celda; (b) Curvas JV de la celda superior semitransparente y la celda inferior filtrada; (c) Espectros EQE de cada subcelda; (d) Salida de potencia en estado estacionario

El tándem de perovskita completa logra la coincidencia de banda prohibida ajustando los componentes (top 1.67–1,75 eV, inferior 0,80–1,20 eV), lo que favorece el procesamiento de soluciones a baja temperatura y la fabricación rollo a rollo.

Avance en eficiencia: Al ajustar la orientación cristalina de la perovskita WBG mediante el aditivo DBSA, la eficiencia de la celda superior es del 22,4 % y la eficiencia del tándem, del 28,06 %. Las estrategias clave incluyen:

Regulación de banda prohibida: la banda prohibida de la celda inferior de perovskita de aleación Sn-Pb es de 1,25 eV, que complementa la celda superior de 1,66 eV.

Pasivación de defectos: el cloruro de acetilcolina (ACh) modifica la interfaz PEDOT:PSS para reducir la recombinación no radiactiva.

Desafíos: Sn²⁺ Se oxida fácilmente y requiere encapsulación en atmósfera inerte; las perovskitas de banda estrecha tienen vidas medias cortas.<20 ns).Resumen del rendimiento de una célula tándem de cuatro terminales hecha totalmente de perovskita

Las células solares en tándem de perovskita de cuatro terminales han demostrado ventajas significativas en eficiencia y flexibilidad gracias a la innovación estructural y la sinergia de materiales. Con un avance de eficiencia superior al 30 % en configuraciones como PVK/Si y PVK/CIGS, los tándems de perovskita tienen un gran potencial para la fabricación a bajo coste, y las estructuras emergentes ofrecen una nueva dimensión para el uso de los espectros infrarrojos.