Diseño de celdas solares de perovskita para aplicaciones sustentables mediante DFT y simulación

Abstract

Las celdas solares de perovskita han alcanzado eficiencias superiores al 26 por ciento en una década, consolidándose como una alternativa a las tecnologías fotovoltaicas convencionales. Sin embargo, la inestabilidad y la toxicidad asociadas al plomo limitan su aplicación. En este trabajo se es- tudian compuestos inorgánicos de cesio, bromo y yodo con sustituciones parciales de plomo por estaño o germanio, orientados a reducir el contenido de plomo. Las propiedades estructurales y electrónicas se calcularon mediante teoría del funcional de la densidad, mostrando buena concordancia con resulta- dos experimentales. El desempeño fotovoltaico de arquitecturas tipo n–i–p se evaluó con el programa SCAPS-1D, considerando óxido de titanio y yoduro de cobre como capas de transporte de electrones y huecos, respectivamente. Las composiciones con hasta un 25 por ciento de plomo alcanzaron eficiencias cercanas al 15 por ciento, destacándose las basadas en estaño sobre las de germanio. Este enfoque inte- gra diseño de materiales y simulación para el desarrollo de celdas solares de perovskita más estables y sostenibles.

Perovskite solar cells have achieved efficiencies above 26 percent within a decade, establishing themselves as a promising alternative to conventional photovoltaic technologies. However, instability and lead toxicity still limit their application. This work investigates inorganic cesium, bromine, and io- dine compounds with partial substitution of lead by tin or germanium, aiming to reduce the lead content. Structural and electronic properties were calculated using density functional theory, showing good agree- ment with experimental results. The photovoltaic performance of n–i–p architectures was evaluated with SCAPS-1D, considering titanium oxide and copper iodide as electron and hole transport layers, res- pectively. Compositions containing up to 25 percent lead reached efficiencies close to 15 percent, with tin-based compounds outperforming germanium-based ones. This approach integrates materials design and device simulation toward more stable and sustainable perovskite solar cells.