Estudio de películas delgadas de óxidos de níquel y cobre como capas transportadoras de huecos para celdas solares de perovskita

Abstract

Las celdas solares de perovskita han surgido como una tecnología fotovoltaica prometedora debido al rápido aumento de su eficiencia y a su potencial de fabricación mediante procesos de bajo costo. Un componente clave es la capa transportadora de huecos, que favorece la extracción selectiva de carga, reduce la recombinación y contribuye a la estabilidad del dispositivo. Debido al costo y la limitada estabilidad de las capas orgánicas convencionales, óxidos metálicos como NiOₓ y CuOₓ han sido propuestos como alternativas inorgánicas. NiOₓ destaca por su transparencia, alineamiento energético y estabilidad, mientras que los óxidos de cobre son compatibles con técnicas escalables y presentan especial interés para Chile, por su elevado recurso solar y producción de cobre. En este trabajo se sintetizaron y compararon películas delgadas de NiOₓ y CuOₓ sobre vidrio/ITO, para evaluar su potencial como capas transportadoras de huecos en celdas solares de perovskita invertidas. Las películas precursoras de Ni y Cu fueron depositadas mediante evaporación térmica, evaporación con calentamiento del sustrato y sputtering, con espesores nominales entre 1,5 y 30 nm, y posteriormente sometidas a oxidación térmica. Se estudió el efecto del método de deposición y el espesor sobre sus propiedades ópticas, eléctricas y morfológicas. Para películas de CuOₓ de 30 nm, el sputtering produjo la mayor transmitancia media entre 400 y 800 nm, con un 74,1 %, frente a valores entre 49,2 % y 59,3 % obtenidos mediante evaporación térmica. Los sistemas vidrio/ITO/CuOₓ de 10–30 nm presentaron resistencias de hoja entre 9,78 y 20,54 Ω/□, mientras que los sistemas vidrio/ITO/NiOₓ mostraron una mayor dispersión. La caracterización morfológica mostró rugosidades RMS inferiores a 2,6 nm, con valores mínimos de 1,043 nm para NiOₓ y 0,606 nm para CuOₓ. En general, las películas de CuOₓ presentaron un comportamiento más consistente, mientras que la síntesis de NiOₓ mostró mayor sensibilidad a las condiciones experimentales. Estos resultados proporcionan una base para la optimización e integración futura de ambos materiales en dispositivos fotovoltaicos. Perovskite solar cells have emerged as a promising photovoltaic technology due to the rapid increase in their efficiency and their potential for low-cost manufacturing. A key component is the hole transport layer, which promotes selective charge extraction, reduces recombination, and contributes to device stability. Owing to the cost and limited stability of conventional organic layers, metal oxides such as NiOₓ and CuOₓ have been proposed as inorganic alternatives. NiOₓ stands out for its transparency, favorable energy-level alignment, and stability, while copper oxides are compatible with scalable fabrication techniques and are of particular interest to Chile because of its high solar resource and copper production. In this work, thin films of NiOₓ and CuOₓ were synthesized and compared on glass/ITO substrates to evaluate their potential as hole transport layers in inverted perovskite solar cells. Ni and Cu precursor films were deposited by thermal evaporation, thermal evaporation with substrate heating, and sputtering, using nominal thicknesses between 1.5 and 30 nm, and were subsequently subjected to thermal oxidation. The effects of the deposition method and film thickness on their optical, electrical, and morphological properties were investigated. For 30 nm CuOₓ films, sputtering produced the highest average transmittance between 400 and 800 nm, reaching 74.1%, compared with values between 49.2% and 59.3% obtained by thermal evaporation. Glass/ITO/CuOₓ systems with thicknesses of 10–30 nm exhibited sheet resistances between 9.78 and 20.54 Ω/□, whereas glass/ITO/NiOₓ systems showed greater dispersion. Morphological characterization revealed RMS roughness values below 2.6 nm, with minimum values of 1.043 nm for NiOₓ and 0.606 nm for CuOₓ. Overall, the CuOₓ films showed more consistent behavior, while NiOₓ synthesis was more sensitive to the experimental conditions. These results provide a basis for the future optimization and integration of both materials into photovoltaic devices..