Un estudio reciente publicado en Small destaca cómo la incorporación del marco de metal-orgánico (MOF) UIO-66 puede mejorar significativamente tanto la eficiencia como la estabilidad de las células solares de perovskita de haluro de estaño (TPSC). Los investigadores detallan los beneficios estructurales y químicos de UIO-66 que contribuyen a estas mejoras.
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Fondo
Los MOF son materiales porosos compuestos de iones metálicos conectados por moléculas orgánicas. Su gran área de superficie, tamaños de poros ajustables y su versatilidad química los hacen útiles para mejorar las células solares. Estas propiedades ayudan a los MOF a interactuar con los materiales de perovskita, lo que puede conducir a películas más suaves con menos defectos.
Las perovskitas de haluro de estaño son una alternativa atractiva a las células solares basadas en plomo debido a su banda de banda preferrred y su alta movilidad de portadores de carga. Sin embargo, su uso práctico se ve obstaculizado por la mala calidad del cristal y la degradación rápida cuando se expone al aire.
Yoduro de lata de formamidinio (fasni3) es una perovskita basada en estaño particularmente prometedora, pero sigue siendo inestable bajo estrés ambiental. Para abordar esto, los investigadores investigaron UIO-66, un MOF-carboxilato de circonio conocido por su estabilidad contra la humedad y los productos químicos, como una forma de mejorar el rendimiento y la durabilidad de los TPSC.
El estudio
En esta investigación, UIO-66 se sintetizó con tamaños de grano más pequeños (reducido de 200–300 nm a 30–50 nm) para integrarse mejor en la película de perovskita. La difracción de rayos X confirmó que el MOF mantenía su alta cristalinidad y pureza.
UIO-66 se incorporó a FASNI3 utilizando un método de recubrimiento de spinning de un solo paso en una capa de transporte de agujeros hecha de PEDOT: PSS. Las películas fueron recocidas a 100 ° C para completar la cristalización. Todo el proceso se llevó a cabo en una guantera llena de nitrógeno para mantener condiciones controladas.
Para evaluar el rendimiento del dispositivo, los investigadores realizaron mediciones de voltaje de corriente (JV) en condiciones estándar de luz photo voltaic AM 1.5, así como pruebas de estabilidad para evaluar cuánto tiempo los dispositivos mantuvieron la eficiencia bajo exposición ambiental.
Resultados y discusión
La adición de UIO-66 condujo a un aumento notable en la eficiencia de conversión de energía (PCE), de 11.43 % a 12.64 %. Los investigadores atribuyeron esta mejora a la capacidad del MOF para common la cristalización de FASNI3conduciendo a películas de mayor calidad y mejores propiedades electrónicas.
La microscopía electrónica de barrido (SEM) reveló que las películas mejoradas con UIO-66 eran más densas y más uniformes. El análisis óptico utilizando la espectroscopía UV-VIS mostró que la absorción de la luz mejoró, mientras que las mediciones de fotoluminiscencia resuelta en el tiempo (TRPL) indicaron que las vidas de portador se extendieron, lo que sugiere una reducción en las pérdidas de recombinación no radiativas. Estos resultados confirman que UIO-66 juega un papel clave en la optimización de las propiedades estructurales y ópticas de la película de perovskita.
Las pruebas de estabilidad mostraron que los TPSC con UIO-66 mantuvieron más del 90 % de su eficiencia inicial después de 100 días en una guantera de nitrógeno. En contraste, los dispositivos sin UIO-66 perdieron una eficiencia significativa, reteniendo solo el 38 % de su rendimiento inicial después de 144 horas. La estabilidad mejorada se vinculó con la capacidad de UIO-66 para reducir la densidad de defectos y sus fuertes interacciones con SN2+ iones, que ayudaron a reforzar la estructura de perovskita.
Además, la estructura porosa de UIO-66 actuó como una capa protectora contra la humedad y el oxígeno, extendiendo aún más la vida útil de las células solares. Los cálculos teóricos y las simulaciones de la teoría funcional de densidad (DFT) confirmaron fuertes interacciones entre los grupos de carboxilato de MOF y los iones de estaño, ofreciendo una mayor estabilidad a nivel molecular.
Conclusión
Este estudio demuestra que la integración de UIO-66 en células solares de perovskita de haluro de estaño mejora significativamente la eficiencia y la estabilidad. La incorporación de UIO-66 facilita la cinética de cristalización mejorada, la pasivación por defectos y las propiedades superiores de transporte de carga, lo que resulta en una mayor eficiencia de conversión de energía y una estabilidad operativa extendida.
Estos hallazgos refuerzan el papel de los MOF como una estrategia viable para abordar los desafíos persistentes de las perovskitas basadas en TIN. Al optimizar las propiedades estructurales y electrónicas, la integración UIO-66 acerca a los TPSC a la aplicación práctica, ofreciendo una vía prometedora para avanzar en tecnologías fotovoltaicas sin plomo.
Referencia de diario
Yin Y., et al. (2025). La eficiencia y la estabilidad mejoradas de las células solares de perovskita de haluro de estaño a través de la integración de MOF. Pequeño. Doi: 10.1002/smll.202411346, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202411346
