Device Physics of Interface-Engineered Hybrid Perovskite Solar Cells Probed by Impedance Spectroscopy

Abstract

Las celdas solares de perovskita híbrida de haluro de plomo se han consolidado como una tecnología fotovoltaica muy prometedora gracias a las altas eficiencias alcanzadas en laboratorio. Sin embargo, su rendimiento operativo y su estabilidad a largo plazo continúan limitados por pérdidas interfaciales y por las complejas dinámicas asociadas al transporte iónico–electrónico mixto. Los contactos selectivos no solo extraen portadores de carga, sino que también definen las rutas de recombinación interfacial y las condiciones electrostáticas que gobiernan la acumulación de carga, la redistribución iónica y la respuesta temporal del dispositivo. En consecuencia, dispositivos con eficiencias comparables pueden operar bajo regímenes internos distintos, y las modificaciones interfaciales pueden influir simultáneamente en las pérdidas de voltaje, la histéresis y las rutas de degradación. Comprender cuantitativamente estos procesos electrónicos e iónicos acoplados resulta, por tanto, crucial para el diseño y la optimización de las celdas solares de perovskita. Esta tesis investiga la ingeniería de interfaces y las dinámicas internas de dispositivos basados en perovskitas empleando la espectroscopía de impedancia como herramienta de caracterización y análisis. Se exploran dos estrategias experimentales complementarias. En primer lugar, en celdas solares mesoporosas con contacto de carbono, la incorporación de intercapas de NiCo2O4 mejora la selectividad del contacto posterior y produce incrementos significativos en el voltaje de circuito abierto, asociados a un aumento claro de la resistencia a la recombinación evidenciado mediante análisis de impedancia. Al mismo tiempo, la dependencia con el voltaje de las componentes de baja frecuencia, junto con las propiedades electroquímicas del NiCo2O4 y el comportamiento de la histéresis, sugieren contribuciones electrostáticas adicionales que no pueden describirse completamente mediante circuitos equivalentes. En segundo lugar, en dispositivos convencionales n–i–p basados en absorbentes RbCsMAFA, se depositaron intercapas ultrafinas de adamantano polimerizado por plasma en ambos contactos selectivos. Estas intercapas suprimen la recombinación no radiativa, mantienen una extracción eficiente de carga y mejoran la robustez ambiental al proteger la perovskita frente a la humedad y la radiación UV. La comparación de espectros de impedancia entre dispositivos frescos y envejecidos reveló cambios pronunciados en la respuesta de baja frecuencia y en los elementos resistivos de alta frecuencia, junto con variaciones en el factor de idealidad, lo que evidencia una evolución acoplada de la recombinación interfacial y del transporte iónico durante la degradación. Con el objetivo de superar una interpretación meramente fenomenológica, esta tesis desarrolla un marco de inversión basado en principios físicos y análisis de datos, que integra simulaciones de deriva–difusión con regresión de aprendizaje automático y herramientas de interpretabilidad. Este enfoque permite relacionar los espectros de impedancia con parámetros físicamente relevantes, como las velocidades de recombinación superficial y las propiedades de transporte iónico, facilitando una evaluación cuantitativa de la asimetría interfacial y de su evolución bajo distintas condiciones de operación. En conjunto, los resultados establecen un marco coherente en el que el rendimiento, la estabilidad y la dinámica del dispositivo se entienden como manifestaciones interrelacionadas de las condiciones de frontera interfaciales. Al combinar ingeniería de interfaces validada experimentalmente con análisis de impedancia orientado a parámetros físicos, este trabajo propone una vía escalable y basada en datos para optimizar interfaces en celdas solares de perovskita.