Investigadores de la Universidad de Zhengzhou, en China, han revisado el uso de zwitteriones en células solares de perovskita y han concluido que estas moléculas eléctricamente neutras podrían contribuir a la eficiencia y estabilidad de los dispositivos mediante varios mecanismos que van más allá de la pasivación convencional de defectos.

Los zwitteriones contienen grupos funcionales con carga positiva y negativa. Según los investigadores, esta estructura de doble carga les permite interactuar con defectos, influir en la cristalización y ajustar los niveles de energía en las interfaces dentro de una sola unidad molecular. Su eficacia depende de la estructura molecular, el método de incorporación y la posición dentro del dispositivo.

En el absorbente de perovskita, los zwitteriones pueden interactuar con iones de plomo con coordinación insuficiente, vacantes de haluros y defectos asociados con cationes orgánicos. Estas interacciones pueden reducir la captura de portadores de carga y la recombinación no radiativa. La revisión señala que los compuestos de tipo betaína han sido ampliamente estudiados, mientras que los zwitteriones basados en aminoácidos y otros zwitteriones funcionalizados también han producido resultados prometedores.

Las mejoras de rendimiento comunicadas incluyen un aumento de la eficiencia del 10,54% al 13,31% en una célula de perovskita basada en estaño que utilizaba L-asparagina. El ácido sulfonfínico de formamidinio permitió alcanzar una eficiencia del 22,06% en un dispositivo de banda prohibida amplia. Los zwitteriones también pueden afectar la coordinación de los precursores, la nucleación y el crecimiento cristalino, ayudando a producir películas más uniformes, con menos poros y una cristalinidad mejorada.

Los compuestos también pueden estabilizar la fase negra fotoactiva en perovskitas basadas en cesio y formamidinio. Otros efectos comunicados incluyen una menor migración de iones, una mayor integridad de la red cristalina, la supresión de la oxidación del estaño y una reducción de la tensión mecánica residual.

En las interfaces entre la capa de perovskita y las capas de transporte de electrones o huecos, los zwitteriones pueden pasivar defectos y mejorar al mismo tiempo la alineación de los niveles de energía. En las interfaces que incluyen óxido de estaño, dióxido de titanio u óxido de zinc, sus dipolos moleculares pueden modificar las funciones de trabajo y reducir las barreras para la extracción de electrones. La revisión también señala los zwitteriones líquidos como una posible vía para abordar la escasa solubilidad y las limitaciones de procesamiento de algunos compuestos sólidos.

En las interfaces de transporte de huecos, los zwitteriones pueden facilitar la extracción de huecos, suprimir la recombinación superficial y mejorar la estabilidad química. Un aditivo comunicado aumentó la eficiencia media de los dispositivos que utilizaban PEDOT del 10,29% al 14,29%. Otro enfoque basado en L-triptófano en una interfaz de óxido de níquel/perovskita alcanzó eficiencias del 23,79% y el 20,41% en dispositivos con bandas prohibidas de 1,56 eV y 1,68 eV, respectivamente. Esos dispositivos mantuvieron un rendimiento estable durante más de 1.600 horas.

Las capas intermedias zwitteriónicas también pueden utilizarse en los contactos de los electrodos. Allí, los dipolos moleculares pueden ajustar las funciones de trabajo de los metales, mejorar la alineación de los niveles de energía y favorecer la extracción de cargas. En los estudios revisados, un polímero zwitteriónico elevó la eficiencia del 17,31% al 19,16%, mientras que un compuesto basado en carboxilato la incrementó del 15,08% al 17,10%.

Los investigadores destacaron además el potencial de los zwitteriones para limitar la migración de iones y la corrosión de los electrodos, particularmente en los contactos de plata. Se comunicó que un zwitterión basado en naftaleno diimida capturaba tanto iones de plata como de yoduro, ayudando a suprimir la degradación en la interfaz.

La revisión pide marcos de diseño y evaluación más claros, incluidas bases de datos que combinen descriptores moleculares, parámetros de procesamiento y datos de rendimiento de los dispositivos. Los investigadores sugieren que el aprendizaje supervisado podría ayudar a identificar zwitteriones adecuados para capas funcionales específicas, mientras que los modelos generativos podrían proponer nuevas estructuras moleculares.

El trabajo, titulado “Research progress of zwitterions in perovskite solar cells”, fue publicado en Sustainable Chemistry for Energy Materials.

Fuentes: pv magazine.