Development and characterization of new materials for the elaboration of nanostructured thin layers for photovoltaic conversion

Abstract

[ES] La energía solar es una tecnología fundamental en la búsqueda global de un futuro energético sostenible. En el corazón de esta revolución se encuentran las células fotovoltaicas (FV), dispositivos extraordinarios que convierten directamente la luz solar en electricidad. La búsqueda de tecnologías solares más económicas, eficientes y versátiles ha llevado a los investigadores a explorar nuevos materiales que superen las limitaciones de los procesos de fabricación de silicio, que consumen mucha energía1,2. En los últimos años, los materiales bidimensionales (2D) se han convertido en excelentes componentes para células solares gracias a sus excepcionales propiedades y han sido objeto de una extensa investigación. Son materiales ultrafinos con un grosor de tan solo unos pocos átomos, lo que les confiere propiedades únicas, muy diferentes de las de sus homólogos en masa. Los materiales 2D ofrecen varias ventajas, como componentes de células solares debido a su espesor atómico, sus superficies lisas y su falta de enlaces sin pareja. Además, su estructura electrónica, incluyendo su band gap, está significativamente influenciada por los átomos y los grupos funcionales de su superficie. Esto ofrece la oportunidad de manipular con precisión la interfase, minimizando la pérdida de energía durante la extracción de portadores y el transporte a través de ella3. Debido a su alta movilidad de portadores, algunos materiales 2D pueden funcionar como electrodos para lograr una transferencia de carga eficiente4, 5. Además, los materiales 2D poseen una excelente estabilidad química y mecánica junto con su alta compacidad, lo que les hace resistentes a la humedad, el oxígeno, la migración de iones y la difusión de metales. Finalmente, forman heteroestructuras de van der Waals por adsorción física en otros materiales, minimizando la formación de defectos en la interfase6. Sin embargo, a pesar de la gran cantidad de trabajo realizado en el diseño, la síntesis, la caracterización y las aplicaciones de estos materiales, aún quedan muchos aspectos por resolver para mejorar sus propiedades. Este trabajo se centra en dos tipos diferentes de materiales: puntos de carbono dopados con nitrógeno (NCD) y perovskitas bidimensionales de haluros metálicos.

[EN] Solar energy is a fundamental technology in the global search for a sustainable energy future. At the heart of this revolution are photovoltaic (PV) cells, extraordinary devices that directly convert sunlight into electricity. The search for cheaper, more efficient, and more versatile solar technologies has led researchers to explore new materials that overcome the limitations of energy-intensive silicon manufacturing processes1,2.

In recent years, two-dimensional (2D) materials have emerged as excellent components for solar cells due to their exceptional properties and have been the subject of extensive research. They are ultrathin materials with a thickness of just a few atoms, which gives them unique properties, very different from those of their bulk counterparts.

2D materials offer several advantages as solar cell components due to their atomic thickness, smooth surfaces, and lack of dangling bonds. Furthermore, their electronic structure, including their band gap, is significantly influenced by the atoms and functional groups on their surface. This offers the opportunity to precisely manipulate the interface, minimizing energy loss during carrier extraction and transport across it3. Due to their high carrier mobility, some 2D materials can function as electrodes to achieve efficient charge transfer4, 5. In addition, 2D materials possess excellent chemical and mechanical stability along with their high compactness, making them resistant to moisture, oxygen, ion migration, and metal diffusion. Finally, they form van der Waals heterostructures by physical adsorption onto other materials, minimizing the formation of defects at the interface6. However, despite the large amount of work carried out in the design, synthesis, characterization, and applications of these materials, many aspects remain to be resolved in order to improve their properties. This work focuses on two different types of materials: nitrogen-doped carbon dots (NCDs) and two-dimensional metal halide perovskites.