Acorralar iones mejora la viabilidad de las células solares de perovskita de próxima generación

Investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte (NCSU) han descubierto que la canalización de iones en vías definidas en materiales de perovskita mejora la estabilidad y el rendimiento operativo de las células solares de perovskita. El hallazgo allana el camino para una nueva generación de tecnologías de células solares más ligeras, más flexibles y más eficientes, adecuadas para un uso práctico.

Los materiales de perovskita, que se definen por su estructura cristalina, absorben mejor la luz que el silicio. Eso significa que las células solares de perovskita pueden ser más delgadas y livianas que las células solares de silicio sin sacrificar la capacidad de la célula para convertir la luz en electricidad.

“Eso abre la puerta a una gran cantidad de nuevas tecnologías, como celdas solares ligeras y flexibles, o celdas solares en capas (conocidas como tándems) que pueden ser mucho más eficientes que la tecnología de recolección solar que se usa hoy en día en las plantas solares”. dice Aram Amassian, profesor de Ciencia e Ingenierías de Materiales en la NCSU y autor del artículo "Un marco de difusión de iones multiescala arroja luz sobre el nexo de difusión-estabilidad-histéresis en perovskitas de haluro metálico", publicado en la revista _Nature Materials, _en el que se explica el descubrimiento.

“Hay interés en integrar materiales de perovskita en tecnologías de celdas solares de silicio, lo que mejoraría su eficiencia de un 25 % a un 40 % y, al mismo tiempo, haría uso de la infraestructura existente”. Amassian es profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad Estatal de Carolina del Norte.

El desafío de la perovskita

Sin embargo, trabajar con materiales de perovskita plantea un desafío porque, hasta la fecha, no ha sido posible mantener la estabilidad operativa a largo plazo en las células solares de perovskita. Las perovskitas son materiales iónicos y, cuando se aplica un voltaje a una perovskita, los iones migran a través del material.

Se cree que estos iones que migran contribuyen a los cambios químicos y estructurales en el material que finalmente hacen que los materiales sean ineficientes e inestables. Para fabricar células solares de perovskita prácticas, los investigadores deben encontrar una manera de abordar este problema.

“No hemos encontrado una manera de evitar que los iones se muevan a través de los materiales de perovskita, pero hemos descubierto que es posible dirigir estos iones hacia un conducto seguro que no perjudique la integridad estructural o el rendimiento del material”, dice Amassian. “Es un gran paso adelante”.

El conducto seguro, en este caso, es algo llamado límite de grano. Los materiales de perovskita son materiales multicristalinos. Eso significa que cuando está "cultivando" una perovskita, el material se forma como una serie de cristales, o "granos", que están alineados entre sí.

Granos cristalinos

Estos granos son los encargados de absorber la luz y generar las cargas responsables de la corriente eléctrica. Cada uno de esos granos tiene la misma estructura cristalina, pero los granos pueden estar orientados en direcciones ligeramente diferentes. El área donde los granos se tocan se llama límite de grano.

"Lo que descubrimos es que los granos están mejor protegidos contra el deterioro cuando los iones se mueven predominantemente a lo largo del límite del grano", dice el primer autor y coautor correspondiente Masoud Ghasemi, ex investigador postdoctoral en NC State que ahora es investigador postdoctoral en Estado de Pensilvania.

“Combinando esto con lo que ya se sabe sobre los materiales de perovskita, está claro que los problemas comienzan cuando los límites de los granos son débiles, lo que facilita que los iones se muevan hacia los granos mismos. Diseñar límites de grano más fuertes que protejan los granos es esencial para bloquear la migración de iones y otras especies dañinas como el oxígeno para que no entren en los granos, mitigando los cambios químicos y estructurales problemáticos en el material”.

Posibles mejoras en almacenamiento

“Esta es una idea importante, porque existen técnicas establecidas que podemos usar para diseñar materiales de perovskita y sus límites de grano; ahora podemos hacer uso de estos enfoques para proteger los granos”, dice Amassian.

“Demostramos cómo esas técnicas fortalecen los límites de grano en este documento. En resumen, ahora sabemos lo que hay que hacer para hacer perovskitas mucho más estables”.

El trabajo también puede informar el desarrollo de tecnologías de almacenamiento de energía más eficientes.

“Este trabajo avanza en nuestra comprensión fundamental de cómo los iones se mueven a través de cualquier material cristalino que pueda transportar carga, no solo las perovskitas de haluro”, dice Amassian. "Estamos emocionados de hablar con colegas que trabajan en el almacenamiento de energía sobre cómo esto puede informar a la ingeniería de conductores de iones más rápidos".