2. MARCO TEÓRICO
2.4. Funcionamiento básico de una PSC con arquitectura planar
A pesar de que aún no existen estudios concluyentes sobre el mecanismo de fotogeneración y de transporte eléctrico en celdas solares híbridas con estructura perovskita, una de las hipótesis con mayor soporte hasta el momento, habla de una estructura similar al de un diodo tipo juntura p-i-n, formado por la capa transportadora de huecos (que es un semiconductor tipo p), la capa activa de perovskita (considerada como el semiconductor intrínseco) y la capa transportadora de electrones (semiconductor tipo n), y que se ajusta a los resultados experimentales proporcionados principalmente por medidas EBIC (corriente inducida por un haz de electrones, del inglés: electron beam-induced
current) [81] y complementada por otras técnicas como KPFM (microscopía de
fuerza atómica con sonda Kelvin, del inglés: Kelvin probe force microscopy) [82, 83].
La técnica EBIC se basa en la excitación local y la extracción de portadores de carga por un haz de electrones, permite determinar dónde se genera la corriente en la celda, la intensidad del pico de la imagen obtenida indica qué tan eficiente es la separación de carga en ese sitio de la celda, lo que la hace especialmente adecuada para determinar el principio de funcionamiento de un dispositivo fotovoltaico.
Al aplicarse la técnica sobre celdas solares con perovskita, en los perfiles EBIC obtenidos, se distingue un patrón de "dos picos" dentro de la celda, el primer pico está cerca de la interfase HTL-perovskita y el segundo cerca de la interfase perovskita-ETL [81], lo que indica la respuesta ambipolar de la perovskita, con portadores generados tanto cerca de la HTL como de la ETL que posteriormente son recolectados por tales capas. Este resultado puede comprenderse a partir de la construcción del diagrama de bandas de energía del dispositivo en estado de equilibrio térmico, en dicho estado, prevalece un nivel de Fermi común para todo el dispositivo.
Una estimación de primer orden de cómo se alinean las energías dentro de los materiales cuando se unen, puede realizarse mediante la regla de Anderson para las heterojunturas entre semiconductores. Si bien es cierto que tiene ciertas limitaciones, pero también tiene la ventaja, sobre los enfoques más sofisticados, de ser universal en su aplicación. La regla supone que el nivel de referencia del vacío, es continuo a través de las interfaces de material, lo que significa para los semiconductores, que la alineación relativa de los bordes de la banda de conducción a través de las interfases depende de la diferencia de las afinidades electrónicas de los dos materiales (la energía desde el borde de la banda de conducción hasta el nivel de vacío). La aplicación de esta regla proporciona el diagrama de la bandas de energía que se muestra en la Figura 2-6 [81, 84].
Figura 2-6: Diagrama de bandas de energía de una celda híbrida basada en perovskita con
estructura p-i-n [81, 84, 85].
La diferencia de las afinidades electrónicas entre cada capa semiconductora, provoca variaciones del potencial eléctrico, sobre todo en las interfases, generando un campo eléctrico en la película de perovskita (campo eléctrico local) [86], el cual puede calcularse a partir de la pendiente de cada borde de banda.
Como es de esperarse, el campo es más intenso cerca de las interfases y tiene un papel importante en el transporte y la extracción de carga; para dispositivos gruesos, estas regiones de alto campo pueden ser independientes entre sí, mientras que se combinan para dispositivos delgados, creando eventualmente un campo uniforme a través del dispositivo [84, 87]. Una distribución constante del campo eléctrico es consistente con la celda solar de tipo p-i-n mencionada inicialmente [82, 86].
Trabajos posteriores han evaluado la precisión de la regla de Anderson y corroborado el modelo deducido en la Figura 2-6 [88, 89].
Con base en este modelo puede decirse que: la fotogeneración de portadores sucede principalmente en la capa activa (perovskita) producto de la absorción de fotones con energía mayor que el gap. Teniendo en cuenta la alta constante dieléctrica de la perovskita (entre 10 y 1000 para las distintas composiciones), se estima una baja energía de enlace excitónica (alrededor de 2 meV), lo cual implica que el mecanismo de fotogeneración no está limitado por la formación de excitones estables como en el caso de las celdas solares orgánicas, y por el contrario se forman portadores libres (electrones y huecos).
Al estudiar la disociación del excitón dentro de la perovskita y semiconductores excitónicos convencionales, Huang y colaboradores demostraron que el MAPI y el MAPBr son materiales no excitónicos [90], razón por la cual, las perovskitas pueden tratarse como semiconductores inorgánicos tradicionales [29].
Posterior a la fotogeneración de portadores libres en la capa activa, mediante procesos de difusión los portadores deben transitar hacia las interfases: perovskita-ETL (i-n) para el caso de electrones, y perovskita-HTL (i-p) para el caso de huecos. Cuanto más lejos de su respectivo recolector se producen los portadores libres, existen mayores posibilidades de recombinación.
Una vez en las interfases, los portadores se transfieren desde la perovskita hacia la respectiva capa transportadora, y a su vez se transfieren hacia los correspondientes electrodos (ánodo para los electrones y cátodo para los huecos) que extraerán las cargas libres del dispositivo, a través de la acción del campo eléctrico local de la celda.
Además de la fotogeneración directa de portadores sin mediación excitónica considerable, otra de las razones que explica las altas eficiencias de estos dispositivos es la gran longitud de difusión (entre 1 y 2 µm) y movilidad de portadores (de 5 a 10 cm2 V−1 s−1) en los materiales híbridos tipo perovskita [91].