Obtención de dispersiones coloidales de nanopartículas de TiO2 para su aplicación como capa transportadora de electrones en celdas solares de perovskita con estructura p-i-n

Abstract

RESUMEN : El dióxido de titanio (TiO2) ha sido ampliamente aplicado como capa transportadora de electrones (ETL) en celdas solares de perovskita de arquitectura regular (n-i-p). Además, resulta atractivo incorporar este tipo de materiales en celdas solares invertidas (p-i-n) debido a la necesidad de reemplazar materiales orgánicos convencionales que se usan en las capas transportadoras de electrones. Sin embargo, hoy en día es un desafío incorporar TiO2 en celdas invertidas (p-i-n) debido al compromiso que existe entre el procesamiento de este material y la integridad de la perovskita al estar sometida a temperaturas superiores a los 450 °C requeridas para obtener una fase cristalina y electrónicamente deseable del TiO2. En el presente trabajo se propone el uso del método de síntesis de co-precipitación y de modificación superficial con ácido trifluoroacético para obtener nanopartículas de TiO2 de 4.696 nm con grupos CF3 coordinados en su superficie. Esto da lugar a dispersiones coloidales estables con las que es factible fabricar dispositivos a baja temperatura y tiempos de procesamiento cortos, obteniendo una ETL competitiva con la actual referencia. Es así como luego de fabricar celdas solares con este material, se alcanzó una eficiencia de conversión de energía (PCE) máxima del 9.04%, lo que representa alrededor del 55% de la eficiencia alcanzada con PCBM. Este resultado y los demás parámetros fotovoltaicos se logran al tener una capa compacta, delgada, uniforme y compatible con perovskita MAPbI3 que extrae efectivamente las cargas desde el material absorbedor.

ABSTRACT : Titanium dioxide (TiO2) has been widely applied as an electron transport layer (ETL) in regular architecture perovskite solar cells (n-i-p). In addition, it is attractive to incorporate this type of materials in inverted solar cells (p-i-n) due to the need to replace conventional organic materials used in electron transporting layers. However, nowadays it is a challenge to incorporate TiO2 in inverted cells (p-i-n) due to the trade-off between the processing of this material and the integrity of the perovskite when subjected to temperatures above 450 °C required to obtain a crystalline and electronically desirable TiO2 phase. The present work proposes the use of the co-precipitation synthesis method and surface modification with trifluoroacetic acid to obtain TiO2 nanoparticles of 4.696 nm with coordinated CF3 groups on their surface. This results in stable colloidal dispersions with which it is feasible to fabricate devices at low temperature and short processing times, obtaining a competitive ETL with the current reference. Thus, after manufacturing solar cells with this material, a maximum power conversion efficiency (PCE) of 9.04% was achieved, which represents about 55% of the efficiency achieved with PCBM. This result and the other photovoltaic parameters are achieved by having a compact, thin, and uniform layer compatible with MAPbI3 perovskite that effectively extracts the charges from the absorber material.